Planta Rapida

Contenido i

Lima, 2004

OPS/CEPIS/PUB/04.111 Original: español

Tratamiento de agua paraconsumo humano

Plantas de filtración rápida

Manual II: Diseño de plantasde tecnología apropiada

ii Diseño de plantas de tecnología apropiada

© Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2004

El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) sereserva todos los derechos. El contenido de este documento puede ser reseñado, reprodu-cido o traducido, total o parcialmente, sin autorización previa, a condición de que se espe-cifique la fuente y de que no se use para fines comerciales.

El CEPIS/OPS es una agencia especializada de la Organización Panamericana de laSalud (OPS/OMS).

Los Pinos 259, Urb. Camacho, Lima, PerúCasilla de correo 4337, Lima 100, PerúTeléfono: (511) 437 1077Fax: (511) 437 [email protected]://www.cepis.ops-oms.org

Contenido iii

INTRODUCCIÓN

En Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtraciónrápida. Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada se hanplasmado los avances y la experiencia acumulada en este terreno por el CEPIS/OPS durante los últimos 12 años, posteriores a la publicación de Manual V: Diseño,la versión anterior de este documento.

La delicada situación económica de los países y de las empresas de aguaen América Latina y el Caribe ha favorecido una mayor acogida de esta tecnología,por su bajo costo inicial, su menor costo de producción y su comprobada eficienciaen relación con los demás tipos de sistemas.

Sin embargo, en la práctica, se están observando dificultades en la aplicaciónde esta tecnología. A través de múltiples evaluaciones, hemos detectado problemasde diseño que se repiten, por lo que hemos creído conveniente que este manual secircunscriba a proyectos de este tipo.

Se hacía necesario, entonces, detallar al máximo cómo se deben determinarlos parámetros de proyecto, dimensionar, compactar y empalmar las diversasunidades, para que el resultado sea óptimo, y señalar qué se debe evitar para queel profesional que recién se inicia en proyectos de plantas de tratamiento no cometalos errores identificados.

Los criterios y procedimientos de diseño de las unidades de mezcla rápida,floculación, decantación, filtración y desinfección —procesos básicos de una plantade filtración rápida— se revisan en los capítulos 1 al 6.

Uno de los mayores problemas que se observan es que los proyectistas noadjuntan al proyecto un instructivo para la puesta en marcha y operación de laplanta. Esto trae como consecuencia que el personal de operación, generalmente

iv Diseño de plantas de tecnología apropiada

sin capacitación previa ni específica, actúe simplemente por intuición, lo que afectamucho la eficiencia del sistema. El mejor diseño puede fracasar si la operación nose realiza correctamente.

Para contribuir a superar este problema, esta edición incluye un capítuloespecial (el 7) sobre este tema. En él se detalla el contenido del instructivo quedebe acompañar a cada proyecto de esta naturaleza.

Contenido v

RECONOCIMIENTO

Este manual ha sido elaborado por el Centro Panamericano de IngenieríaSanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS), de la Organización Panamericanade la Salud (OPS/OMS), y actualiza el texto publicado en 1992 con el títuloManual V: Diseño.

La preparación y actualización de este manual ha estado a cargo de laIng. Lidia Canepa de Vargas, asesora en Tratamiento de Agua para ConsumoHumano, bajo la dirección del Dr. Mauricio Pardón, director del Centro.

Se agradece la contribución del Ing. Víctor Maldonado Yactayo en larevisión de las unidades. Asimismo, la colaboración del editor del CEPIS/OPS,Lic. Luis Andrade, y de las Sras. Inés Barbieri e Irma Sánchez, del cuerpo desecretarias del Centro, quienes colaboraron en el procesamiento del texto, asícomo la contribución del Sr. Washington Macutela, responsable de la impresión.

vi Diseño de plantas de tecnología apropiada

Contenido vii

CONTENIDO

Página

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... iAGRADECIMIENTOS ........................................................................................... iii

CAPÍTULO 1. CASA DE QUÍMICA ..................................................................... 1

1. Almacenamiento de las sustancias químicas ................................................. 31.1 Productos secos .................................................................................. 3

1.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 31.2 Productos en solución ........................................................................ 9

1.2.1 Proceso de cálculo ................................................................... 102. Dosificación .................................................................................................... 11

2.1 Tipos de dosificadores ........................................................................ 112.1.1 Equipos de dosificación en seco ............................................. 122.1.2 Equipos de dosificación en solución ....................................... 15

2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación ............................ 192.2.1 Sistemas de dosificación en seco ............................................ 192.2.2 Dosificación en solución ......................................................... 232.2.3 Saturadores de cal .................................................................... 27

2.3 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 283. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 324. Laboratorio de control de procesos ............................................................... 34Referencias ............................................................................................................. 36Bibliografía general .................................................................................................. 36

Anexo A: Datos sobre las sustancias químicas más empleadas en eltratamiento de agua ........................................................................................ 37

CAPÍTULO 2. MEZCLADORES ........................................................................... 45

1. Introducción ................................................................................................... 472. Parámetros generales de diseño ..................................................................... 47

2.1 Unidades hidráulicas ........................................................................... 482.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico ........................................... 492.1.2 Canaleta Parshall ...................................................................... 582.1.3 Vertedero rectangular ............................................................... 672.1.4 Vertedero triangular .................................................................. 68

viii Diseño de plantas de tecnología apropiada

2.1.5 Difusores ................................................................................. 712.1.6 Inyectores ................................................................................ 77

2.3 Unidades mecánicas ............................................................................ 822.3.1 Parámetros de diseño ............................................................... 822.3.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 82

Referencias ............................................................................................................. 87

CAPÍTULO 3. FLOCULADORES ......................................................................... 89

1. Introducción ................................................................................................... 912. Parámetros y recomendaciones generales de diseño ..................................... 913. Unidades de pantallas .................................................................................... 92

3.1 Unidades de flujo horizontal ............................................................... 933.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 933.1.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 963.1.3 Aplicación ................................................................................ 973.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño

más comunes ........................................................................... 1013.2 Unidades de flujo vertical ................................................................... 103

3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño ............................... 1033.2.2 Criterios para el dimensionamiento .......................................... 1053.2.3 Aplicación ................................................................................ 1063.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes ........... 1103.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas .............. 112

4. Floculadores del tipo Alabama o Cox ............................................................. 1135. Floculadores de medios porosos.................................................................... 115

5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño .......................................... 1155.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 116

6. Floculadores de mallas o telas ........................................................................ 1206.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 1206.2 Criterios de dimensionamiento ............................................................ 1206.3 Aplicación y recomendaciones ........................................................... 122

Referencias ............................................................................................................. 126Anexo A. Viscosidad del agua ........................................................................ 129

CAPÍTULO 4. DECANTADORES LAMINARES .................................................. 133

1. Introducción ................................................................................................... 1352. Decantadores de placas .................................................................................. 135

2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño .......................... 1363. Decantadores de flujo ascendente ................................................................. 138

Página

Contenido ix

4. Zona de entrada .............................................................................................. 1394.1 Criterios de diseño .............................................................................. 139

5. Zona de sedimentación................................................................................... 1505.1 Criterios específicos ............................................................................ 1505.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 1535.3 Aplicación ........................................................................................... 154

6. Zona de salida ................................................................................................ 1586.1 Criterios generales ............................................................................... 1586.2 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 159

7. Zona de lodos ................................................................................................. 1627.1 Tolvas separadas y colector múltiple .................................................. 164

7.1.1 Criterios de diseño ................................................................... 1647.1.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 1667.1.3 Aplicación ................................................................................ 167

7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas ..................................... 1697.2.1 Criterios de diseño ................................................................... 1697.2.2 Criterios de dimensionamiento ................................................ 1697.2.3 Aplicación ................................................................................ 171

7.3 Otros sistemas de descarga de lodos .................................................. 1717.3.1 Descarga mecánica automática ................................................ 171

8. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 173Referencias .............................................................................................................. 178

CAPÍTULO 5. BATERÍA DE FILTROS DE TASA DECLINANTE YLAVADO MUTUO .................................................................................................. 181

1. Introducción ................................................................................................... 1832. Ventajas de las baterías de filtros de tasa declinante y lavado mutuo ........... 1833. Descripción de una batería de tasa declinante y lavado mutuo ..................... 1864. Criterios generales de diseño ......................................................................... 188

4.1 Geometría de la batería ........................................................................ 1884.1.1 Área de cada filtro y número de filtros .................................... 1884.1.2 Tasas de filtración .................................................................... 1894.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo ......................... 1904.1.4 Lecho filtrante .......................................................................... 1924.1.5 Canal de distribución de agua decantada, coagulada o

prefloculada ............................................................................. 1944.1.6 Canal de aislamiento ................................................................ 1954.1.7 Canal de interconexión ............................................................. 1954.1.8 Válvula de entrada de agua decantada .................................... 1954.1.9 Válvula de salida de agua de retrolavado ................................ 196

Página

x Diseño de plantas de tecnología apropiada

4.1.10 Válvula de desagüe de fondos ................................................ 1964.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada ............ 196

4.2 Hidráulica del lavado ........................................................................... 1974.2.1 Canaletas de recolección de agua de lavado ........................... 1974.2.2 Ubicación del vertedero de salida ............................................ 1994.2.3 Expansión del medio filtrante durante la operación de lavado 1994.2.4 Pérdida de carga en el lecho filtrante expandido ..................... 2014.2.5 Pérdida de carga en las canaletas ............................................ 2024.2.6 Pérdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas ....... 2024.2.7 Pérdida de carga en canales y orificios de compuertas ........... 2024.2.8 Cálculo del nivel del vertedero ................................................ 203

4.3 Hidráulica del proceso de filtración ..................................................... 2034.3.1 Compuerta de entrada .............................................................. 2044.3.2 Drenaje ..................................................................................... 2074.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita .......................................... 2074.3.4 Vertedero de salida ................................................................... 207

5. Aplicación ................................................................................................. 2086. Criterios para el diseño de plantas de filtración directa ................................. 220

6.1 Parámetros de diseño .......................................................................... 2206.2 Dosificación ........................................................................................ 2216.3 Características del medio filtrante ....................................................... 2236.4 Tasa de filtración ................................................................................. 2236.5 Control de calidad ............................................................................... 225

7. Funcionamiento de la batería de filtros de tasa declinante ............................ 2258. Defectos de diseño más comunes .................................................................. 228Referencias .............................................................................................................. 232

CAPÍTULO 6. SALA DE CLORACIÓN ............................................................... 235

1. Introducción ................................................................................................... 2372. Criterios generales de diseño ......................................................................... 2373. Almacenamiento ............................................................................................. 242

3.1 Criterios para el dimensionamiento ..................................................... 2423.2 Recomendaciones para el proyecto .................................................... 245

4. Equipos de medición y control ....................................................................... 2474.1 Equipos para aplicar hipoclorito en solución...................................... 2484.2 Hipoclorador de orificio de carga constante ....................................... 2484.3 Equipos para aplicar cloro gaseoso .................................................... 249

4.3.1 Cloradores de aplicación directa .............................................. 2494.3.2 Cloradores de aplicación al vacío ............................................ 252

Página

Contenido xi

4.4 Evaporadores ...................................................................................... 2604.5 Sistemas de control ............................................................................. 261

4.5.1 Sistemas automáticos ............................................................... 2615. Punto de aplicación ........................................................................................ 2636. Cámara de contacto ........................................................................................ 265

6.1 Tiempo de contacto para la reducción de bacterias ............................ 2656.2 Tiempo de contacto para la reducción de parásitos ........................... 265

7. Ventilación y equipos de protección .............................................................. 2687.1 Sistemas de alarma .............................................................................. 2697.2 Equipo de protección para los operadores ......................................... 270

8. Recomendaciones para el proyecto ................................................................ 2719. Problemas más comunes ................................................................................. 272Referencias .............................................................................................................. 276

Anexo A: Valores TC para la inactivación de Giardia y virus mediante Cl2libre y otros desinfectantes ............................................................................ 277

CAPÍTULO 7. INSTRUCTIVO DE PUESTA EN MARCHA Y OPERACIÓNNORMAL ................................................................................................................ 285

1. Introducción ................................................................................................... 2872. Recomendaciones para la operación de puesta en marcha ............................ 287

2.1 Inspección preliminar .......................................................................... 2882.2 Operaciones iniciales .......................................................................... 289

2.2.1 Preparación de soluciones y dosificación de productosquímicos ................................................................................... 289

2.3 Llenado de la planta ............................................................................ 2962.3.1 Procedimiento .......................................................................... 296

2.4 Lavado de filtros ................................................................................. 2982.4.1 Procedimiento para el lavado ................................................... 298

2.5 Instalación de la tasa declinante ......................................................... 2992.5.1 Procedimiento .......................................................................... 299

2.6 Medición de caudal ............................................................................. 3002.7 Mezcla rápida ...................................................................................... 301

3 Operación normal............................................................................................ 3023.1 Operación normal del sistema de filtración ......................................... 3023.2 Filtración directa .................................................................................. 303

4. Operación especial ......................................................................................... 3045. Control de calidad ........................................................................................... 3056. Operación estacional ...................................................................................... 3067. Aspectos varios ............................................................................................. 3068. Limitaciones del sistema ................................................................................. 307

Página

xii Diseño de plantas de tecnología apropiada

Referencias .............................................................................................................. 309Anexo A: Toma de muestras en planta .................................................................... 310Anexo B: Consumo anual de reactivos .................................................................... 310Anexo C: Anotaciones diarias de la planta de tratamiento ..................................... 311Anexo D: Formulario resumen mensual de control de procesos en la planta X ...... 313

Página

CAPÍTULO 1

CASA DE QUÍMICA

Casa de química 3

La casa de química o edificio de operaciones es el ambiente de la planta enel cual se concentran todas las instalaciones para el manejo de las sustanciasquímicas. Comprende básicamente las instalaciones de almacenamiento, dosifica-ción y laboratorios de control de los procesos de la planta. Este capítulo tratasobre los criterios y procedimientos para el diseño de estas instalaciones.

1. ALMACENAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS

Las sustancias que se emplean en el tratamiento del agua pueden estar enpolvo, trituradas o en solución. Al proyectar los almacenes, se debe tener en cuen-ta la forma en que se van a utilizar estas sustancias, de modo que las instalacionesofrezcan todas las facilidades para la conservación y manejo del producto.

1.1 Productos secos

1.1.1 Criterios de diseño

Para determinar las dimensiones de estas instalaciones, será necesario te-ner en cuenta los siguientes criterios, relacionados con la capacidad, la ubicacióny las características del almacén, que varían de acuerdo con las dimensiones de laplanta de tratamiento.

a) Ubicación

••••• Ubicar el almacén lo más cerca posible de la sala de dosificación, paraahorrar tiempo y esfuerzo en el traslado de las sustancias químicas. Ideal-mente, los almacenes y la sala de dosificación deben ocupar un mismoambiente, sobre todo en sistemas pequeños y medianos.

••••• En sistemas grandes, los almacenes siempre deberán ubicarse en el primerpiso de la casa de química para no encarecer la estructura del edificio.

4 Diseño de plantas de tecnología apropiada

••••• La capacidad del almacéndebe ser suficiente para abas-tecer la planta por lo menosdurante un mes. En el caso deque los productos se expendanen la misma ciudad en la quese encuentra la planta, podráconsiderarse una capacidadmínima para 15 días.

b) Consideraciones para el dimensionamiento

••••• Cuando el producto es importado, al determinar el tiempo de almacena-miento, deberá tenerse en cuenta el tiempo total que toma el trámite decompra. En la mayoría de los casos, esto puede demandar varios meses.

••••• Cuando la empresa tiene unalmacén central del cual seaprovisionará a la planta, el al-macenamiento en planta po-drá calcularse para 15 días.

••••• Cuando se almacenan sus-tancias secas embolsadas—como es el caso del sulfatode aluminio y la cal—, deberádisponérselas apiladas enrumas y sobre tarimas demadera para aislarlas de la humedad del piso y de las paredes. Esta medidaes especialmente importante para el sulfato de aluminio, que es higroscópico(es decir, que absorbe la humedad del aire).

••••• Cuando la transferencia del almacén a la sala de dosificación se realizamanualmente, la altura total de las rumas no deberá ser mayor de 2 metros,para que el operador pueda tener acceso a las bolsas del extremo superior.Cuando la transferencia se va a realizar en forma mecánica, el material

Figura. 1-1. Almacén de sustanciasquímicas (1)

Figura 1-2. Entrada al almacén (2)


Conexiones

flexiblesSilo de

almace-

namiento

Impulsor de aire

Filtro

Carga

VentiladorLínea de retorno

Línea de

alimentación

Compuerta

N.o 1 N.o 2

Alimentación

de aire

Válvula

• Para determinar la dosis promedio (D), es necesario disponer de una curvade dosificación (dosis óptima de coagulante versus turbiedad de agua cru-da, figura 1-4). Esta curva se obtiene de un estudio de laboratorio que abar-que por lo menos un ciclo de seca y uno de creciente para determinar lasdosis máximas y mínimas que se requerirán en el tratamiento del agua. Ladosis promedio se calculará a partir de la dosis requerida cuando se produ-ce la turbiedad máxima y la dosis necesaria en época de aguas claras.

• El área neta que ocupará el material se obtiene de la siguiente expresión:

A (m2) = V (m3)/ H (m) (2)

Donde la altura de almacenamiento (H) depende del sistema de transferen-cia seleccionado. El área de cada ruma se decidirá en función de las dimensionesde las bolsas del producto por almacenar y del número de bolsas por considerar alo largo y a lo ancho. Dividiendo el área neta calculada en la ecuación (2) entre elárea de una ruma, se definirá el número de rumas que se deberán considerar en elalmacén.

• En las plantas grandes de varios metros cúbicos de capacidad de produc-ción, el material se recibe en silos, que son abastecidos mediante camiones,vagones o carros cisterna, de acuerdo con la forma en que se solicite elproducto: sólido o líquido.

Figura 1-5. Sistema de llenado neumático (2)

Casa de química 7

••••• Los silos pueden ser metálicos, de hormigón o de poliéster reforzado confibra de vidrio y de forma cilíndrico-cónica.

• Cuando el material se deposita enseco, el llenado se realiza median-te un sistema mecánico o —loque es más frecuente— neumá-tico, a partir del vehículo deabastecimiento, cuyo contenidose fluidifica y se somete a unapresión de aire, de forma que flu-ya como un líquido hasta el silo.Véase la figura 1-5.

Igualmente, pueden utilizarse dis-positivos de llenado mecánico de los silos, como fajas transportadoras osistemas de canjilones (figuras 1-6 y 1-7).

• Algunos reactivos en polvo tienden a aglomerarse, lo que dificulta su ex-tracción. Para evitar este inconveniente, se pueden emplear dos procedi-mientos. El primero consiste en cubrir la superficie interior del silo convejigas inflables, repartidas convenientemente. Estas vejigas, sometidas apresión en forma periódica, despegan el producto de las paredes y rompenlos aglomerados que empiezan a formarse. El segundo procedimiento con-siste en fluidificar el contenido del silo inyectando en la base aire compri-mido. De esta manera, el producto fluye sin dificultad.

• Cuando se trata de unapequeña tolva metálica,puede evitarse que elmaterial se aglomere sise coloca en la parteexterior de la tolva unvibrador intermitente,cuya potencia debeadaptarse al volumende esta.

Figura 1-6. Sistema de llenado mediantefajas transportadoras (2)

Figura 1-7. Sistema de llenado mediantecanjilones (2)


• El aire que se emplea para el transporte neumático de sustancias químicaso para mantenerlas fluidas debe someterse a un tratamiento antes de queescape a la atmósfera. Para ello, se lo hace pasar a través de filtros de telacolocados en la parte superior de los silos, localizados en un compartimientoen el que se produce una depresión con un ventilador.

• El control del nivel del producto en los silos se puede efectuar de diversasformas. Se puede utilizar un motor flotante que acciona una paleta, la cualgira dentro del producto. La presencia de material en la tolva crea un parresistente que provoca una rotación en la carcasa del motor, detectada porcontacto eléctrico. La ausencia de producto hace que la carcasa recobresu posición normal.

• También hay dispositivos que detectan cuándo el material está en su nivelmínimo, mediante sistemas capacitivos que determinan la diferencia de lapermisividad de un dieléctrico, constituido por el producto o por el aire.Otra forma de detectar este nivel consiste en una membrana que se defor-ma bajo el peso del producto almacenado y actúa sobre un interruptor eléc-trico.

• También se emplean sistemas más complejos, que indican de forma conti-nua el nivel del producto dentro del silo, mediante medidores de fuerzas ofenómenos piezoeléctricos. Existen también otros sistemas ultrasónicos ode rayos gamma. El sistema más sencillo consiste en un tanque de plásticoreforzado con fibra devidrio, en el cual setransparenta el conteni-do.

• La extracción de losproductos almacenadosen los silos se efectúamediante una válvulaalveolar, tornillo sin fin,extractor de paletas ovibrante, aerocorrederao válvula automática.Cuando se trata de unatolva de almacenamien-

Figura 1-8. Tanque de almacenamientode sulfato de aluminio líquido (1)

Casa de química 9

to de pequeña capacidad, la extracción puede hacerse manualmente, a tra-vés de un simple obturador de registro.

• El almacenamiento de productos secos también puede hacerse en recipien-tes estancos, que llena el proveedor del producto. Estos recipientes se cons-truyen de acero o de goma sintética. Su empleo es especialmente indicadoen instalaciones pequeñas y medianas.

1.2 Productos en solución

En instalaciones peque-ñas, los reactivos líquidos ge-neralmente se adquieren y al-macenan en cilindros, bidoneso bombonas. En sistemas másimportantes, el suministro serealiza en camiones o vago-nes-cisterna, de donde losreactivos son transferidos porgravedad, a presión de aire obombeo, a las cubas o tanquesde almacenamiento. Estos de-ben estar interiormente prote-gidos contra la acción corro-siva del reactivo.

• Los sistemas de dosificación en solución son económicamente ventajososcuando el reactivo se produce localmente.

• En las instalaciones grandes, las cubas o tanques de almacenamiento de losreactivos se construyen según la naturaleza de los productos. Pueden serde acero u hormigón con o sin revestimiento interno o de material plástico.

• Los tanques de almacenamiento van equipados con dispositivos de controlde nivel más o menos perfeccionados, que pueden variar desde un sistemade flotador y vástago con índice que se desplaza sobre una regla graduada,hasta los dispositivos descritos en el acápite anterior, con los que puedeefectuarse la medición a distancia de este nivel.

Figura 1-9. Tanques de plástico reforzadoscon fibra de vidrio (1)


1.2.1 Proceso de cálculo

La información básica que se requiere para efectuar este cálculo es lasiguiente:

• Caudal de diseño de la planta: Q en L/s o m3/d.• Rango de dosificación (D

m – D

M, mg/L). En los histogramas de turbiedad

elaborados durante el estudio de variaciones de la fuente, se obtiene laturbiedad máxima y mínima que se presenta durante el año. Con estosdatos se obtienen, en la curva de dosificación, las dosis máxima y mínima.

• Periodo de almacenamiento: T (días o meses).• Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3).• Si el sulfato de aluminio empleado para las pruebas de laboratorio es de alta

pureza, deberá introducirse en los cálculos un factor de corrección, pero silas pruebas se realizan con el mismo sulfato que se emplea en la planta,este factor no será necesario.

Ejemplo: Se desea calcular el área de almacenamiento para sulfato dealuminio que se requiere en una planta de Q = 300 L/s, para un periodo de 3meses. La dosificación requerida es la siguiente:

• Dm

= 20 mg/L• D

M= 80 mg/L

• δ = 964 kg/m3

El cuadro 1-1 presenta un resumen del cálculo efectuado.

Para determinar las dimensiones de las rumas de sulfato, hay que tener encuenta que las bolsas de sulfato de aluminio tienen normalmente 50 kilogramos depeso y dimensiones aproximadas de 0,50 x 0,60 metros, de manera que las filas sepueden acomodar considerando tres bolsas a lo ancho con la dimensión de 0,60metros, por lo que la ruma tendría 1,80 metros de ancho. Los pasillos o corredorespueden tener de 0,80 a un metro de ancho. En este caso, como se trata de unaplanta de 300 L/s, será necesario transportar las bolsas en una carretilla, por loque se está dejando un metro de distancia entre las tarimas de 1,80 de ancho.

Casa de química 11

Cuadro 1-1. Cálculo del almacén de sulfato de aluminio (2)

De acuerdo con el calculo efectuado, el almacén tendrá 9,40 metros deancho por 14 metros de largo y se han considerado tres tarimas de 1,80 metros deancho, 12 metros de largo, con rumas de bolsas apiladas de 1,80 metros de alto,dejando pasillos de un metro de ancho entre las rumas, así como entre estas y lapared.

2. DOSIFICACIÓN

La dosificación de las sustancias químicas debe efectuarse mediante equi-pos que aseguren la aplicación de una dosis exacta por unidad de tiempo. Estosequipos disponen de controles que permiten fijar la cantidad de producto por uni-dad de tiempo que debe liberarse, dentro de límites establecidos por su capacidad.

2.1 Tipos de dosificadores

En el cuadro 1-2 se presenta una clasificación de estos equipos de acuerdocon el estado en que se encuentra el producto.

Paso DatosUni- Uni-dades

Criterios Cálculos Resultadosdades

1 Dm = 20 mg/L D = (D

m + D

M)/2 D = (20+80)/2 Dosis promedio mg/L

DM

= 80 D = 50

2 δ = 964 kg/m3

V = D x Q x T 50 x 25.920 x 90 Volumen de m3

T= 90 días δ x 1.000 964 x 1.000 almacenamientoQ = 300 L/s requeridoQ = 25.920 m3/d V = 121

3 H = 1,8 m A = V/H A = 121/1,8 Área neta de m2

A = 67,2 almacenamiento

4 N = 3 - L = A/(N x B) L = 67,2/(1,8 x 3) Largo de la ruma mB = 1,80 m L = 12 o pila

5 P = 1,0 m Ancho = Nx B+ 4 = 3 x 1,80 + 4 x 1 Ancho total del mP Ancho = 9,40 almacén

Largo total = L+ 2 = 12+ 2 x 1,5 Largo del mP Largo = 14,0 m almacén


Cuadro 1-2. Dosificadores de sustancias químicas (2)

2.1.1 Equipos de dosificación en seco

Se emplean para la aplicación de sustancias químicas en polvo. Pueden serde tipo volumétrico o gravimétrico. Para seleccionar el tipo de dosificador, serequiere tener en cuenta la precisión requerida, el tipo de producto que se va adosificar y el rango de trabajo que debe tener el equipo, lo cual depende de lasdosis máxima y mínima necesarias y de los caudales por tratar.

a) Volumétricos

La dosis se de-termina midiendo el vo-lumen de material libe-rado por una superficieque se desplaza a ve-locidad constante (fi-guras 1-10 y 1-11). Losdosificadores de estetipo más comúnmenteutilizados en la prácti-ca son la válvulaalveolar, el disco gira-torio, el cilindro girato-rio, el plato oscilante yel de tornillo.

Seco Volumétricos Plato, garganta, cilindro,tornillo, estrella, correa

Gravimétricos Correa transportadora ypérdida de peso

Solución Gravedad Orificio de carga constante,regulable o torre de saturación

Bombeo Desplazamiento rotatorio o positivo

Boquillas

Gas Solución al vacío

Aplicación directa

Figura 1-10. Dosificador volumétrico (2)

Motor

Tornillo

giratorio

Tolva

Sistema de

alimentación

Nivel de

solución

MezcladorCámara de solución

Casa de química 13

• La válvula alveolar es un dosificador de poca precisión que se emplea en unrango de caudales de 0,5 a 1,0 m3/h.

• El dosificador de disco giratorio está compuesto de una base que gira avelocidad constante sobre la cual una cuchilla de ángulo regulable separa

una parte del producto.Este se vierte a un depó-sito de preparación de lasolución que debe estarequipado con un agitador.La precisión del equipo esbuena. Se lo utiliza paradosificar sulfato de alumi-nio, cal, carbonato de sodioo de calcio. La dosis semodifica por un botón deregulación que varía el án-gulo de la cuchilla. El mo-tor puede ser de velocidadconstante o variable.

• El dosificador de tornillo está cons-tituido por una tolva de alimentacióny un tornillo de dosificación provistode un brazo rascador que arrastrael producto a través de un tubo cali-brado. Previamente, se homogeneizael producto por medio de un agita-dor de paletas de eje horizontal, des-tinado igualmente a evitar la forma-ción de zonas muertas a la entradadel tornillo de dosificación (figura1-12).

La variación de la graduación seconsigue cambiando la velocidad degiro del tornillo.

Figura 1-11. Dosificador volumétrico (1)

Figura 1-12. Dosificador de tipovolumétrico (1)


La tolva de alimentación debe estar provista de un vibrador o de un sistemaoscilante de frecuencia o amplitud regulables. El rango de trabajo de undosificador de tornillo puede variar desde unos cuantos gramos hasta varioskilos por hora.

b) Gravimétricos

La cantidad de producto químico dosificado se mide pesando el material osobre la base de una pérdida de peso constante del material depositado en la tolva.Los equipos más comunes son el dosificador de correa transportadora y el depérdida de peso.

• En el dosificadorgravimétrico de pérdi-da de peso se mide lacantidad de materialpor dosificar mediantela diferencia de peso deun silo o tolva que con-tiene el material y quese apoya en una balan-za equilibrada por uncontrapeso móvil (figu-ra 1-13). El contrape-so se desplaza en for-ma proporcional a ladosificación deseada.

• En el dosificador gravimétrico de correa transportadora, el material deposi-tado en la tolva cae en una correa transportadora que se desplaza sobre laplataforma de una balanza. Esta se regula para recibir el peso que corres-ponde a la dosis deseada (figura 1-14).

••••• Cuando el peso sobre la correa no es igual al peso prefijado, una válvulasituada en la salida de la tolva modifica su abertura para regular la dosis. Elrango de dosificación también puede ser modificado si se altera la veloci-dad de la correa.

Figura 1-13. Dosificador de tipo gravimétrico (1)

Casa de química 15

• Los tanques de solu-ción que traen estosequipos, tanto losvolumétricos comolos gravimétricos, sonpequeños, y la solu-ción del coagulanteresulta muy concen-trada, especialmenteen época de lluvias,cuando se utilizan do-sis altas de coagu-lante. En estos casos,es necesario inyectara la solución concentrada que sale del tanque la cantidad de agua necesariapara bajar la concentración a 2%, o a la concentración óptima, obtenida enlas pruebas de laboratorio. Ver el procedimiento en Tratamiento de agua

para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teo-

ría, tomo II, capítulo 11.

2.1.2 Equipos de dosificación en solución

En este tipo de equipos la graduación de la cantidad por aplicar se efectúacon el coagulante en solución. Estos equipos pueden ser de dos tipos: por bombeoy por gravedad.

a) Sistemas de dosificación por bombeo

Los más usuales son las bombas de doble pistón y de diafragma.

La bomba dosificadora de pistón es muy precisa, pero debe emplearse concuidado en el caso de productos abrasivos o muy corrosivos (silicato de sodio,cloruro férrico).

Según el tipo de bomba (diámetro del pistón, curva característica y caden-cia de funcionamiento), el caudal de operación puede oscilar entre varias decenasde mililitros y algunos miles de litros por hora (figura 1-15).

Figura 1-14. Dosificador de correa transportadora (1)


La bomba dosificadora de diafragma es de gran precisión —aunque esligeramente menos precisa que la bomba de pistón— y se utiliza para líquidoscorrosivos, tóxicos, abrasivos, cargados o viscosos. Puede estar provista de una

membrana simple o doble.El caudal de este tipo debombas dosificadoras afuertes presiones puede lle-gar hasta 2.500 litros porhora. La figura 1-16 mues-tra una instalación comple-ta con bomba dosificadora,compuesta de un tanquede preparación de la solu-ción, un tanque de dosifi-cación y un sistema de do-sificación propiamente di-cho, al cual está integradala bomba.

Las bombas dosificadoras pueden montarse sobre los depósitos de almace-namiento o de preparación de la solución, provistos eventualmente de mezcladoresde hélice y de indicadores de nivel, de forma que se obtengan grupos compactosde dosificación que incluyan igualmente el armario eléctrico de accionamiento delos motores.

Figura 1-16. Sistema de dosificaciónpor bombeo (1)

Figura 1-15. Sistema de dosificación por bombeo (1)

Motor

Tanque

1

Solución

Agitador mecánico

Válvula

compuerta

Tanque 2

BombaDesagüeDosis

Regla graduada

Flotador

Manguera flexible

Válvula check

Casa de química 17

La figura 1-17muestra una instalación deeste tipo.

Las bombas centrí-fugas también se utilizanpara dosificar con excelen-tes resultados. En la figura1-17 se muestra una insta-lación compuesta de dostanques de preparación dela solución de concreto, conagitador eléctrico. Las bom-bas están en la cámaraseca ubicada debajo de lasrejas del piso y la dosis se calibra mediante rotámetros. Sistemas de este tipo sonideales para localidades donde se pueda garantizar disponibilidad de energía eléc-trica en forma continua.

b) Sistemas de dosificación por gravedad

Los sistemas de dosificación por gravedad se emplean especialmente enplantas medianas y pequeñas, en especial cuando el abastecimiento de energía

eléctrica no es confiable.También se usan en plan-tas grandes cuando la cali-dad del agua es constante.Los más comunes son losde carga constante y cargaregulable (figura 1-18).

El principio en el quese fundamenta es una car-ga de agua constante (h)

sobre un orificio para ase-gurar un caudal constante.El caudal se calibra a la sa-lida mediante una válvula.Figura 1-18. Dosificador de orificio de

carga constante (1)

Figura 1-17. Sistema de dosificaciónpor bombeo (1)


Tanto los sistemas dedosificación por bombeo comolos sistemas por gravedad in-cluyen un tanque de prepara-ción de la solución similar alque se muestra en la figura 1-19. Estos tanques deben te-ner capacidad para un volu-men de solución aplicable en8 horas, de tal modo que encada turno de operación seprepare un tanque. Siempredeben considerarse dos tan-ques para cada sustancia quí-mica que se va a aplicar. Sien la planta se van a aplicar sulfato de aluminio, cal, polímero y HTH, se debenconsiderar ocho tanques para preparar las sustancias respectivas. La concentra-ción a la que se debe aplicar el sulfato de aluminio debe variar entre 1% y 2%.

Cuando se trata de una planta pequeña, se proyecta el tanque de prepara-ción de la solución con la capacidad necesaria para lograr una concentración de2%, pero cuando es una planta mediana o grande, la solución se elabora a unaconcentración mayor y se diluye a la concentración óptima antes de aplicarla a lamezcla rápida.

Los dosificadores de estetipo (figura 1-20) tienen la ven-taja de que se pueden fabricarlocalmente, pero es necesarioejercer un buen control de cali-dad, principalmente del sistemade calibración de la dosis.

En la figura 1-21 se pue-de apreciar el esquema de unainstalación completa de dosifica-ción en solución por gravedad,con dosificador de fabricaciónartesanal.

Figura 1-19. Tanque de preparaciónde la solución (1)

Figura 1-20. Dosificador por gravedad deorificio de carga constante (1)

Casa de química 19

Válvula de

interconexión

Entrada

Tanque 1

Solución

Válvula de flotador

Escala

Tanque 2

Dosis

Desagüe

Desagüe

Manguera flexible

Orificio dosificador

FlotadorTornillo para fijar tubo

Tubo 3/4’’ φ PVC

Tubo 1/2’’ φ PVC

Figura 1-21. Sistema de dosificación en solución por gravedad (2)

2.2 Dimensionamiento de los sistemas de dosificación

2.2.1 Sistemas de dosificación en seco

La selección de los equipos de dosificación en seco se efectúa determinan-do el rango de trabajo que deberá tener el equipo. Este rango está constituido porlos límites máximo y mínimo de dosificación que se deberán atender, los cuales sedeterminan a partir de la información obtenida en el estudio de laboratorio (curvade dosis óptima versus turbiedad de agua cruda). Véase la figura 1-4.

Conociendo la turbiedad máxima y mínima que deberá tratar el sistema, seobtendrán de la curva de dosificación las dosis máximas (D

M) y mínimas (D

m) y se

calcularán los pesos máximos y mínimos que debe aplicar el equipo.

El cálculo se facilita utilizando la ecuación de balance de masas:

Q x D = q x C = P (3)

Donde:

Q = caudal de diseño de la planta en L/sD = dosis promedio de coagulante en mg/Lq = caudal promedio de solución por aplicar en L/sC = concentración de la solución en mg/LP = peso del reactivo por dosificar en m3/s o kg/d


D = (DM + D

m)/2 (4)

R = PM – P

m (5)

Donde:

R = rango del dosificadorP

M= peso máximo del reactivo (mg/s o kg/d)

Pm

= peso mínimo del reactivo (mg/s o kg/d)

Volumen del tanque de solución

El tanque incorporado aldosificador deberá tener ideal-mente un volumen tal que per-mita la disolución del productoy obtener una solución con unaconcentración igual a la óptimaobtenida en el laboratorio.

Sin embargo, como sepuede apreciar en la figura 1-22,estos tanques son muy pequeñosy las concentraciones que se ob-tienen están siempre fuera delrango recomendado (C = 1 a2%), por lo es necesario en es-tos casos aplicar un caudal adi-cional de agua para obtener la concentración óptima antes del punto de aplica-ción.

El tiempo de retención en este tanque debe ser mayor de 5 minutos o pre-ferentemente de 10 minutos, para que se produzca la polimerización adecuada delos coagulantes y se obtenga la mayor eficiencia.

En el cuadro 1-3, se indican las capacidades y rangos de trabajo de diferen-tes tipos de dosificadores en seco y se presentan algunas recomendaciones sobreel tamaño y tipo de material para el cual deben ser usados.

Figura 1-22. Tanque de solución delos dosificadores en seco (1)

Casa de química 21

Cuadro 1-3. Dosificadores en seco (2)

Volumétricos Plato oscilante Cualquier material 0,01 – 35 1 – 40granular o en polvo

Garganta Cualquier material, en 0,02 – 100 1 – 40oscilante cualquier tamañoDisco rotatorio Mayoría de materiales en 0,01 – 1 1 – 20

forma granular o en polvoCilindro Cualquier material 7 – 300 1 – 100rotatorio granular o en polvo 8 – 2.000 1 – 10Tornillo Material muy seco, en 0,05 – 18 1 – 20

forma granular o en polvoCinta Material seco, en forma 0,1 – 3.000 1 – 10

granular o en polvo, con 1 - 100un tamaño máximo de 1 ½”

Gravimétricos Cinta y balanza Material seco o húmedo en 0,02 – 2 1 - 100forma granular o en polvo(deben usarse agitadorespara mantener una densidadconstante)

Pérdida de peso Mayoría de materiales en 0,02 - 80 1 - 100forma granular o en polvo

• Este tipo de dosificadores solo deben ser seleccionados para ciudades gran-des en las que se pueda disponer de energía eléctrica en forma continua,ciudades con buen nivel de desarrollo, donde se disponga de los recursosmateriales, económicos y de personal necesarios, a fin de que dichos equi-pos puedan recibir buena operación y mantenimiento. Son dosificadores dealto costo, requieren ser calibrados con frecuencia para mantener su exac-titud y son muy susceptibles a los cambios granulométricos provocados porla humedad.

• No se recomienda utilizarlos para caudales menores de 20 L/s.

• Para la dosificación de cal, el uso de vibradores es esencial.

En el cuadro 1-4 se presenta un ejemplo del cálculo previo que debe efec-tuarse para seleccionar un dosificador en seco.

Tipo Clasificación Uso VariaciónCapacidadpies3/hora


oces ne rodacifisod nu ed nóicceleS .4-1 ordauC

)2(

s/L003 =

Q1

P M

Q =

xD

MP

000.1/M

080.1=

x000.1/08

ed omixá

m osePh/gk

m080.1 =

Q3

h/P M

4,6 8 =

etnalugaocD

ML/g

m08 =

080.1=

mPx

000.1/02 o

miním oseP

h/gked

Dm

L/gm

02 = P m

6,12 =

etnalugaoc

2P

= RM

P – m

6, 12 – 4 ,68 = R

h /gkled ogna

Rrodacifisod

3

= dpC

P M

P +

mx

42 )6,12

+ 4,68( = dp

Cx

21 o

musnoC

h/gk2

692.1 = dp

Coiraid oide

morp

4δ

m/gk469 =

3/dp

C =V

δ469/692.1

= Vm

al ed nemuloV

3

43,1 = V

led avlotrodacifisod

5=

DD

MD

+ m

05 =

Daide

m sisoD

L/gm

2

%3 = C

6

Q =’V

x

D x

C/oT =’V

003 x

05 x

5 x

06 sortiL

led nemuloV

000.03 = CL/g

m000.0 3

ed euqnatni

m5 = oT

051 =’V

nóiculosid

osaPo ta

Ds oiretir

Csoluclá

Cda din

Usodatluse

Rdadin

U

Casa de química 23

Con los resultados obtenidos en el cálculo, se consultan los catálogos de losfabricantes, para definir las especificaciones técnicas de los equipos.

2.2.2 Dosificación en solución

Esta instalación se compone de un tanque de preparación de la solución ydel sistema de dosificación, que puede ser por bombeo o por gravedad.

El tanque de solución se diseña con el volumen necesario para que brindeservicio durante un turno de operación (T). La duración de cada turno es normal-mente de 8 horas.

Deben considerarse siempre dos unidades, una en operación y la otra enpreparación, de manera que el cambio pueda ser rápido y la dosificación continua.

En instalaciones grandes, para que los tanques no resulten demasiado volu-minosos, se diseñan para concentraciones altas (10 ó 20%) y la concentraciónóptima se regula con una aplicación de agua adicional a la salida del dosificador.El caudal de agua adicional debe calibrarse con un rotámetro, para que la concen-tración de la solución sea exacta y corresponda a la óptima.

Las tuberías de solución se diseñan para un caudal máximo calculado me-diante la ecuación (3), considerando la dosis máxima (D

M). El material de estas

tuberías debe ser resistente a las sustancias químicas que van a transportar. Nor-malmente se utilizan tuberías de plástico o de acero inoxidable.

El cuadro 1-5 muestra un ejemplo de cálculo aplicando la ecuación debalance de masas indicada anteriormente.


Cua

dro

1-5.

Pro

ceso

de

cálc

ulo

de u

n si

stem

a de

dos

ific

ació

n en

sol

ució

n (2

)

1Q

= 3

00L

/sq

= Q

x (

DM

+ D

m)

q =

30

0x

44

Cau

dal d

e so

luci

ónL

/sD

M =

80m

g/L

2

x C

1

00

.00

0pr

omed

io a

l 10%

m3 /

dD

m =

8m

g/L

q =

0,1

32

C =

10

%q

= 1

1,4

C =

100

.000

mg/

L

2C

= 2

%q

= 3

00

x 4

4C

auda

l de

solu

ción

L/s

2

0.0

00

prom

edio

al 2

%m

3 /d

q =

0,6

6

q =

57

,0

3T

= 8

,42

hora

sV

= Q

x T

V=

11

,4 x

8,4

2/2

4V

olum

en d

el ta

nque

de

m3

V =

4,0

solu

ción

par

a C

=10

%

4V

= 5

7 x

8

,42

/24

Vol

umen

del

tanq

ue d

em

3

V =

20

solu

ción

par

a C

= 2

%

5P

= Q

xD

P =

30

0 x

44

Con

sum

o pr

omed

iom

g/s

P =

13

.20

0di

ario

kg/d

P =

1.1

40

6P

o =

P

x T

/24

Po

= 1

.14

0 x

8,4

2/2

4C

onsu

mo

por

tanq

uekg

Po

= 4

00

Pas

oD

ato

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ult

ados

Uni

dad

Casa de química 25

Cua

dro

1-5.

Pro

ceso

de

cálc

ulo

de u

n si

stem

a de

dos

ific

ació

n en

sol

ució

n(c

onti

nuac

ión)

7Pb

= 5

0kg

N.o

= P

o /

Pb

N.o

= 4

00

/50

Núm

ero

de b

olsa

sN

.o=

8

8Q

ag

ua

= (

20

– 4

) x

1.0

00

Cau

dal d

e ag

ua a

dici

onal

L/s

8

,42

x 3

.60

0qu

e se

deb

e ap

lica

r a

laQ

ag

ua

= 0

,5sa

lida

del

dos

ific

ador

9q

M =

Q x

DM/C

qM

= 3

00

x 8

0C

auda

l máx

imo

L/s

1

00

.00

0po

r dos

ific

arL

/hq

M =

0,2

4

qM

= 8

64

10q

m =

Q x

Dm/C

qm

=

30

0 x

8C

auda

l mín

imo

L/s

1

00

.00

0po

r dos

ific

arL

/hq

m =

0,0

24

qm

= 8

6,4

11R

= q

M –

qm

R =

86

4 –

86

,4R

ango

del

dos

ific

ador

L/h

Pas

oD

ato

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ult

ados

Uni

dad


Como se puede observar en los resultados del cuadro 1-5, el volumen deltanque para que la solución esté al 2% es de 20 m3 y para 10%, de 4 m3, por lo quesi se adopta la alternativa con el tanque de 4 m3, para que la solución se apliquecon la concentración óptima de 2%, se deberá inyectar a la tubería que sale deldosificador un caudal de agua filtrada de 0,53 L/s.

El rango del dosificador que se requiere debe ser de 864 a 86,4 L/h. Coneste dato entramos a la tabla de la figura 1-23 y elegimos el dosificador de 0 a1.000 L/h que cubre el rango de trabajo requerido. Se puede observar en la tablaque la tubería de entrada al dosificador debe ser de 1”, y la de salida, de 1 ½” dediámetro.

Figura 1-23. Cuadro para seleccionar la capacidad del dosificador por gravedadde orificio de carga constante (2)

Dimensiones:

1 0 - 400 L/h 760 200 400 140 340 3/4’’ 1 1/2’’

2 0 - 1.000 L/h 760 200 400 140 340 1’’ 1 1/2’’

3 0 - 2.500 L/h 880 310 530 250 470 1 1/2’’ 2’’

4 0 - 4.000 L/h 880 310 530 250 470 2’’ 2 1/2’’

Medidas en milímetros

Tamaño Capacidad A B C D E φF φ G

Detalle de la base

Dejar 4 orificios de

4 x 4 x 6 cmSoportes con

abrazaderas

Embudo de descarga

Pedestal de

sustentación

Tornillos de

anclaje

Válvula de flotador

Tanque de solución

Dosificación

Entrada de la

solución

φ F

Escala

Al punto de dosificación

Base

5 c

m

A

B D

EC

φ G

Casa de química 27

2.2.3 Saturadores de cal

Se emplean paraproducir una soluciónsaturada de hidróxido decalcio, a fin de dosificaragua de cal. La granventaja de estas unida-des, comparadas con lade dosificación de lecha-da de cal, es que se pro-duce una solución conuna cantidad muy redu-cida de sólidos insolublesen suspensión, por lo queno se incrementa la tur-biedad del agua filtraday no se producen depó-sitos de material sedi-mentable en el tanque deaguas claras.

Figura 1-24. Saturador de cal estático (2)

Figura 1-25. Saturador de cal dinámico (2)

Preparación lechada de

cal a distancia

cal


cal por gravedad

cal

agua

agua

agua

agua

1. Llegada de agua a presión

2. Salida de agua saturada

3. Vaciado del saturador

4. Nivel correspondiente al volumen

de lechada de cal para carga

5. Llegada de lechada de cal

6. Rebose

desagüe

Dosificación de cal

en continuo

DesagüeAgua


cal a distancia


cal por gravedad

1. Llegada de agua a presión

2. Salida de agua saturada

3. Llegada lechada de cal

4. Vaciado del saturador

5. Evacuación de fangos

6. Rebose

Dosificación de cal

en continuo

AguaAgua

AguaDesagüe

1

2

3

4

5

6


En general, el saturador consta de un tanque con fondo cónico o piramidal,donde se deposita la cal que va a ser disuelta. El agua se introduce por el fondo deltanque, mediante un tubo recto instalado en su interior, y es colectada en la super-ficie libre mediante canaletas o tubos perforados.

Se gradúa la dosificación mediante el ajuste del caudal de agua que seintroduce en el saturador y la concentración de cal presente se determina a inter-valos convenientes.

Se recomienda el uso de un hidrómetro en la entrada de agua a la unidad,tanto para determinar el caudal como para evaluar la cantidad de cal disponible enel saturador. Cuando la cantidad de cal disponible es pequeña, la concentración dela solución es baja y es necesario aumentar la cantidad de agua e introducir máscal. Estas unidades pueden ser de tipo estático o dinámico (figuras 1-24 y 1-25).

Criterios de diseño

• El tanque debe dimensionarse de tal modo que se garantice una velocidadascensional de 0,5 a 1,0 L/s/m2 o una dosis de cal de 0,6 a 1,2 g/s/m2.

• El tanque debe ser suficientemente alto como para facilitar la distribuciónuniforme del agua introducida por el fondo.

• Para el cálculo de la unidad, se requiere conocer la temperatura del agua yla solubilidad de la cal a esa temperatura. Para el dimensionamiento, seemplea la ecuación de balance de masas. Véase el ejemplo de cálculo en elcuadro 1-6.

2.3 Recomendaciones para el proyecto

Habiendo dimensionado ya todas las instalaciones, se recomienda tener encuenta las siguientes consideraciones para diseñar los planos que corresponden aestos ambientes:

• La sala de dosificación debe ubicarse lo más cerca posible de la unidad demezcla rápida, para que la tubería de conducción de la solución no sea muylarga y para no incrementar demasiado las pérdidas de carga. La tubería deconducción de la solución debe proyectarse sin muchas vueltas y acceso-rios para evitar atoros y pérdidas de carga excesivas. La salida del dosifi-

Casa de química 29

1Q

= 1

00L

/sq

= Q

x D

/Cq

= 1

00

x 1

0/2

.00

0C

auda

l de

oper

ació

nL

/sD

= 1

0m

g/L

q =

0,5

0de

l sa

tura

dor

m3 /

dC

= 0,

2%

q =

43

,2

2Va

= 0

,5L

/s/m

2A

= q

/Va

A =

0,5

/0,5

= 1

Áre

a de

l sat

urad

orm

2

3B

= 0

,40

mA

b =

B x

BA

b =

0,4

x 0

,4Á

rea

de la

bas

em

2

Ab

= 0

,16

4H

= 2

,5m

Vo

l =

(A

b +

A)/

H/2

Vo

l =

(0

,16

+ 1

,0)

x 2

,5/2

Vol

umen

del

sat

urad

orm

3

Vo

l. =

1,4

5

5P

= Q

x D

x 0

,08

64

P =

10

0x

10

x 0

,86

4C

onsu

mo

diar

io d

e ca

lkg

P =

86

,4

6I =

20

%P

* =

P/(

1-I

)P

* =

86

,4/(

1-0

,2)

Con

sum

o co

n im

pure

zas

kgP

= 1

08

Pas

oD

ato

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ult

ados

Uni

dad

Cua

dro

1-6.

Cál

culo

del

sat

urad

or d

e ca

l (2)


cador y el inicio de la tubería de conducción deben ser abiertos para que sefacilite la calibración del equipo.

Figura 1-26. Vista en planta de la sala de dosificación, almacén de sustanciasquímicas, laboratorio de control de procesos y servicios higiénicos (1)

• El desnivel entre la salidadel dosificador y la tube-ría con perforaciones o eldifusor para aplicar elcoagulante en la unidad demezcla rápida debe com-pensar las pérdidas decarga en todo el recorri-do, además de una alturaadicional para que la so-lución tenga presión en lasalida. Normalmente,cuando ambos extremosestán bien próximos, sedeja una diferencia de al-tura de un metro.

Figura 1-27. Vista de un corte de la sala dedosificación (1)

1,25

Dosificador Dosificador

Laboratorio

Techo canalón

,80

,20

1,20

,07,15

1,20

,15

Desagüe

Dosificador,90

3/4’’0,90

Almacén1,00

1,15

2’’

Casa de química 31

• Debe considerarse un tanque de preparación de solución por cada sustan-cia química que se va a aplicar. Los tanques deben proyectarse en una solahilera. La altura a la que se coloquen los tanques depende del tipo de dosi-ficador. Si se va a aplicar la solución por bombeo, los tanques pueden estarubicados directamente sobre el piso de la sala (figura 1-17), pero si la apli-cación es por gravedad, el fondo del tanque debe coincidir con el nivel de latubería de entrada al dosificador (véase la figura 1-27).

• La tubería de salida del tanque de solución debe colocarse 0,10 centíme-tros por encima del fondo del tanque para que no salga el sedimento quequeda después de que el sulfato se ha disuelto, porque esto puede atorar laválvula de aguja del dosificador.

• Cada tanque debe tener un agitador para disolver el sulfato de aluminio. Enplantas muy pequeñas la agitación puede hacerse en forma manual. Cuan-do se deba aplicar cal, es indispensable el agitador eléctrico, porque la calno se solubiliza en el agua. Solo se puede mantener en suspensión cuando laagitación es constante. Si no se agita, la cal se sedimenta y se estaría apli-cando solo agua.

• Cada tanque debe tener instalaciones para el llenado con agua filtrada,salida, desagüe y rebose. El fondo del tanque debe tener pendiente hacia elpunto de salida del desagüe para facilitar su rápida limpieza antes de lapreparación de la nueva solución. El agua filtrada puede provenir de untanque ubicado sobre el edificio de la casa de química, el cual se abastecepor bombeo desde la caja de salida de los filtros o desde el tanque de aguasclaras.

• En plantas pequeñas y medianas el almacén debe estar contiguo a la salade dosificación para compactar las instalaciones y facilitar la labor del ope-rador (figura 1-26).

• Las ventanas del almacén deben colocarse solo en la parte superior paradar iluminación y evitar que la caída de una ruma de material pueda romperlos vidrios. Ubicar el nivel de la puerta de entrada colindante con una pistade ingreso de camiones y de manera que coincida con la altura de la plata-forma del camión, para facilitar la descarga de las bolsas de sustanciasquímicas (figura 1-28).


• Cuando se utilicen dosifi-cadores en seco, el alma-cén siempre se colocaráen el primer piso y tam-bién la sala de dosifica-ción. Por la altura que tie-nen estos equipos, el ac-ceso a las tolvas se harádesde el segundo piso,donde se mantendrá unaexistencia de sustanciasquímicas como para un díade operación, la que setransportará mediante unmontacargas desde el almacén.

3. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES

En contraste con la figura 1-28, en la que mostramos la forma adecuada deentrada a un almacén, en la figura 1-29 se puede observar una entrada por debajodel nivel normal del terreno, donde, además de dificultarse el traslado de las sus-tancias químicas al almacén, estas sustancias están sometidas a un alto riesgo dedeterioro por causa de una posible inundación. Cabe agregar que este almacén

corresponde a una plantaubicada en una zona muylluviosa.

Cuando el almacénno ha sido correctamentedimensionado, suelen pre-sentarse situaciones comola que se ilustra en la figu-ra 1-30, por falta de capa-cidad del almacén. Las bol-sas de sustancias químicasse han apilado entre losdosificadores, lo que difi-

Figura 1-28. Entrada al almacén de sus-tancias químicas (1)

Figura 1-29. Almacén mal ubicado (1)

Casa de química 33

culta y entorpece las acti-vidades de operación.

En contraste con lasituación anterior, en la fi-gura 1-31 podemos obser-var un almacén escanda-losamente sobredimensio-nado, donde la existencianormal de sustancias quí-micas puede observarseen una pequeña ruma muyal fondo. Además del evi-dente derroche que ello su-pone, también se generandificultades en la opera-ción, debido a que los trabajadores deberán desplazarse innecesariamente sobredistancias muy grandes para realizar sus actividades.

En un almacén las ven-tanas deben considerarsesolo en la parte alta para ilu-minar bien el ambiente. Sinembargo, a menudo se en-cuentran situaciones como laque se ilustra en la figura1-32. En este almacén, si unaruma de bolsas se ladea ydesploma, puede romper losvidrios de las ventanas. Estecaso es muy especial, por-que, además, las ventanastienen marcos de aluminio yel piso es de madera, aca-

bados extraordinariamente buenos para un almacén. Actualmente, las instalacio-nes se usan como sala de capacitación.

Figura 1-30. Consecuencia de la falta de capacidaddel almacén (1)

Figura 1-31. Almacén sobredimensionado (1)


4. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

Toda planta de tratamiento de agua, por más pequeña que sea, debe contarcon un laboratorio de control de procesos, donde por lo menos se puedan controlarlos parámetros básicos: turbiedad, color, pH, alcalinidad, cloro residual y coliformesfecales o termotolerantes. Si no hay control, no se podrá conocer en qué medidala instalación está cumpliendo con sus objetivos de calidad y el personal de opera-ción puede volverse muy complaciente con la eficiencia del sistema.

• En este ambiente debe considerarse cuando menos un lavadero, un mostra-dor para operar los equipos y un escritorio o mesa de trabajo para el quími-co, auxiliar de laboratorio u operador encargado de realizar las pruebas decontrol de procesos.

• Toda planta debe contar por lo menos con los equipos necesarios para con-trolar la eficiencia de los procesos. Para que la planta pueda iniciar suoperación correctamente, estos equipos deben ser considerados en el pro-yecto. Son muchas las plantas en las que se encuentra una habitación conmostradores que debió ser el laboratorio de la planta, pero por no haberseconsiderado los equipos en el proyecto, llevan años operando sin ellos. Losequipos mínimos que debe tener un laboratorio para ejecutar el control delos procesos son los siguientes:

— turbidímetro nefelométrico;— medidor de pH;

Figura 1-32. Ventanas mal ubicadas

Casa de química 35

— bureta;— equipo de prueba de jarras, con seis jarras de un litro con deflectores;

comparador de cloro;— vidriería: pipetas, vasitos, baguetas, etcétera;.— materiales: papel Whatman 40, seis embudos de plástico y vasitos de

plástico;— equipo portátil para la determinación de coliformes totales y

termotolerantes por el método de membranas;— termómetro.

• En el caso de una planta pequeña, el programa de control de calidad podráefectuarse desde un laboratorio central o regional.

• En una planta grande deben considerarse en ambientes separados el labo-ratorio de control fisicoquímico y el laboratorio de control bacteriológico.Podrán efectuarse en la planta los dos programas de control de procesos yde calidad, en el supuesto de que estos laboratorios son atendidos por per-sonal profesional especializado. El control de los procesos puede ser efec-tuado por operadores capacitados supervisados por el personal profesio-nal, mientras que el de calidad, por el personal profesional. En estos casos,dependiendo de la capacidad de la planta, se recomienda considerar insta-laciones independientes.

• La sala de cloración debe ser siempre independiente y alejada de las demásedificaciones de la planta, para evitar que una fuga de cloro comprometalos equipos de dosificación o de laboratorio, así como al personal que laboraen estas dependencias. Es posible adosarla a la casa de química, pero conpuertas y ventanas suficientes, de tal manera que las emanaciones de clorode ningún modo puedan ingresar a esta.


REFERENCIAS

(1) Vargas, L. Fotos y proyectos de archivo. Lima, CEPIS/OPS.

(2) Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas. Criterios de diseño para la dosifica-

ción y mezcla rápida. Tomo I, Manual III: Diseño. Lima, ProgramaRegional HPE/CEPIS/OPS, 1992.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL

Pérez Carrión, J. M. Manejo de sustancias químicas. Lima, CEPIS, 1982.

Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental-CETESB. Técnicas de abas-

tecimiento y tratamiento de agua. 2.a edición. São Paulo, 1977.

Pérez Carrión, J. M. Estado del arte, coagulación. Manual. CIFCA/CEPIS/OPS/OMS. 1977.

Casa de química 37

1.

Áci

do h

idro

fluo

rhíd

rico

x

2.

Áci

do fl

uors

ilíc

ico

x3.

Á

cido

sul

fúri

cox

4.

Am

onia

cox

x5.

A

lum

inat

o de

sod

iox

6.

Ben

toni

tax

x7.

B

icar

bona

to d

e so

dio

x8.

B

isul

fito

de

sodi

ox

9.

Bis

ulfi

to d

e ca

rbon

ox

xP

repa

raci

ón d

esí

lice

activ

ado

10.

Bis

ulfi

to d

e cl

oro

xx

xx

xx

11.

Cal

(hid

róxi

do d

e ca

lcio

)x

xx

xx

xx

xx

xx

xx

x12

. C

al d

olom

ític

ax

xx

Rem

oció

n de

sílic

e13

. C

arbó

n ac

tiva

dox

x14

. C

arbo

nato

de

calc

iox

x15

. C

arbo

nato

de

bari

ox

x

Su

stan

cias

qu

ímic

as

Ablandamiento

Ajustes de pH

Auxiliares de coagulación

Coagulación

Control de algas

Control de olores y sabores

Control de corrosión y depósitos

Decloración

Desinfección

Filtración

Floculación

Fluoruración

Remoción de color

Remoción del Fe-Mn

Remoción del arsénico

Remoción del bario

Remoción de cadmio y cromo

Remoción del flúor

Remoción del mercurio

Remoción del selenio

Remoción del plomo y la plata

Remoción de compuestosorgánicos bióxidos

Ane

xo A

Dat

os so

bre

las s

usta

ncia

s quí

mic

as m

ás e

mpl

eada

s en

el tr

atam

ient

o de

agu

a

Cua

dro

A.1

. Sus

tanc

ias q

uím

icas

más

em

plea

das e

n el

trat

amie

nto

de a

gua

por

etap

as (2

)

38 Diseño de plantas de tecnología apropiadaC

uadr

o A

.1. S

usta

ncia

s quí

mic

as m

ás e

mpl

eada

s en

el tr

atam

ient

o de

agu

a po

r et

apas

(con

tinu

ació

n)

Ablandamiento

Ajustes de pH


Coagulación

Control de algas



Decloración

Desinfección

Filtración

Floculación

Fluoruración

Remoción de color

Remoción del Fe-Mn


Remoción del bario







Su

stan

cias

qu

ímic

as

16.

Car

bona

to d

e so

dio

xx

x17

. C

loro

xx

xx

xx

18.

Clo

ruro

fér

rico

xx

19.

Clo

ruro

fer

roso

x20

. C

loru

ro d

e so

dio

x

21.

Clo

rito

de

sodi

ox

x

22.

Fos

fato

bis

ódic

ox

x23

. F

luor

uro

de s

odio

x24

. H

exam

etaf

osfa

to d

e so

dio

xx

25.

Hid

róxi

do d

e am

onia

cox

26.

Hid

róxi

do d

e so

dio

xx

x27

. H

ipoc

lori

to d

e ca

lcio

x28

. H

ipoc

lori

to d

e so

dio

x29

. H

ueso

s ca

lcin

ados

x

Prep

arac

ión

decl

oro,

rege

nera

ción

de re

sina

sP

repa

raci

ón d

ecl

oro

Casa de química 39C

uadr

o A

.1. S

usta

ncia

s quí

mic

as m

ás e

mpl

eada

s en

el tr

atam

ient

o de

agu

a po

r et

apas

(con

tinu

ació

n)

30.

Óxi

do d

e ca

lcio

xx

xx

xx

xx

31.

Ozo

nox

xx

x32

. P

erm

anga

nato

de

pota

sio

xx

33.

Pol

iclo

ruro

de

alum

inio

xx

34.

Pol

iele

ctro

lito

s ar

tifi

cial

esx

xx

x35

. P

olie

lect

roli

tos

natu

rale

sx

xx

x36

. P

olif

osfa

to d

e so

dio

xx

37.

Pir

ofos

fato

sód

ico

xx

38.

Síl

ice

acti

vada

xx

xx

39.

Sil

icat

o de

sod

iox

40.

Sil

icof

luor

uro

de a

mon

iaco

x41

. S

ilic

oflu

orur

o de

sod

iox

42.

Sul

fato

de

alum

inio

xx

xx

x43

. S

ulfa

to f

érri

cox

xx

xx

x44

. S

ulfa

to f

erro

sox

45.

Sul

fato

fer

roso

clo

rado

xx

Ablandamiento

Ajustes de pH


Coagulación

Control de algas



Decloración

Desinfección

Filtración

Floculación

Fluoruración

Remoción de color

Remoción del Fe-Mn


Remoción del bario







Su

stan

cias

qu

ímic

as

Pre

para

ción

de

sílic

e ac

tivad

a


uadr

o A

.1. S

usta

ncia

s quí

mic

as m

ás e

mpl

eada

s en

el tr

atam

ient

o de

agu

a po

r et

apas

(con

tinu

ació

n)

46.

Sul

fato

de

amon

iaco

xx

47.

Sul

fato

de

cobr

ex

x48

. S

ulfa

to a

món

ico

dex

xx

alu

min

io49

. S

ulfa

to p

otás

ico

dex

alu

min

io50

. S

ulfi

to d

e so

dio

xx

51.

Tio

sulf

ato

de s

odio

xx

52.

Tri

fosf

ato

sódi

cox

53.

Tie

rra

de d

iato

mea

xx

x

Ablandamiento

Ajustes de pH


Coagulación

Control de algas



Decloración

Desinfección

Filtración

Floculación

Fluoruración

Remoción de color

Remoción del Fe-Mn


Remoción del bario







Su

stan

cias

qu

ímic

as

Con

trol

de

lodo

s

Casa de química 41

1.Á

cido

H2S

O4

Líq

uid

oB

otel

lone

s 20

x 5

0 L

60-6

6° B

c77

-93%

Líq

uida

Sol

ució

nS

egur

idad

Ace

ro-p

lást

ico

sulf

úric

o

2.A

mon

iaco

NH

3G

asC

ilin

dros

de

acer

o1

90-1

00%

Gas

Dos

ific

ador

esB

alan

zas

Hie

rro,

ace

ro,

50-1

00-1

50 L

NH

3de

gas

vidr

io,

níqu

el,

(pin

tado

de

verd

e)pl

ásti

co

3.B

ento

nita

H2O

(A

l 2O3.

Po

lvo

Bol

sas

de 2

5-45

kg

0,72

3-0,

964

Gra

nula

rG

rav.

PP

<25

0A

gita

dore

s de

Hie

rro,

ace

ro,

Inso

lubl

e(a

rcil

laF

e 2O3.

3 M

gG

ránu

los

fino

s0,

964-

1,20

6L

echa

dakg

/h c

orre

ato

lvas

,pl

ásti

co

col

oida

l)O

).>

250

kg/h

tanq

ues,

4SiO

2N

H2O

Vol

. dis

co 5

mot

ores

akg

/hpr

ueba

de

obtu

raci

ones

4.H

idró

xido

Ca(

OH

) 2P

olv

oB

olsa

s de

45

kg0,

562-

0,80

82-9

9% C

aP

artí

cula

sS

atur

ador

esE

xtra

ctor

es0,

18 –

de c

alci

o(O

H) 2

fina

sso

luci

ónde

pol

vo0,

15 f

(cal

)62

-74

CaO

Lec

hada

Gra

v. P

P<

280

Agi

tado

res

(tem

p)kg

/hen

tol

vas

0,10

-1V

ol.>

Dis

coM

otor

es a

kg/L

10 k

g/h

prue

ba d

eso

luci

ónat

asca

mie

nto

5.C

alC

aO. M

g O

Pol

vo g

ranu

lar

Bol

sas

de 2

5-30

-45

0,59

-0,9

61-

55-5

7%G

rava

dolo

mít

ica

Gra

vak

g1,

20C

aOG

ranu

lar

27-4

0 M

gO

6.C

arbó

nC

Pol

vo g

ranu

lar

Bol

sas

de 3

5 kg

o e

nP

olvo

8,2

810

% h

ueso

sP

olv

oG

rava

Agi

tado

res

deS

eco

: hi

erro

,In

solu

ble

acti

vado

tam

bore

s 5,

2 kg

90%

car

bón

Lec

hada

Pér

dida

de

tolv

asac

ero

vege

tal

peso

Rot

ores

aH

úm

ed

o:

Vol

.-di

sco

prue

ba d

eac

ero,

cau

cho,

Líq

. R

otot

ipo

atas

cam

ient

obr

once

Bom

bas

detr

ansf

eren

cia

For

ma

Con

cen

-tr

ació

nco

mer

cial

Com

pu

esto

Fór

mu

laP

rese

ntac

ión

Em

bal

aje

Den

sida

dT

ipos

de

dos

ific

ació

nA

cces

orio

sM

ater

ial

adec

uad

o p

ara

man

ejo

Ob

ser-

vaci

ones

sob

reso

lub

i-li

dad

Cua

dro

A.2

. Dat

os c

ompl

emen

tari

os so

bre

com

pues

tos q

uím

icos

uti

lizad

os e

n el

trat

amie

nto

de a

gua

(2)


6.C

arbó

nC

Pol

vo g

ranu

lar

Bol

sas

de 3

5 kg

oP

olvo

8,2

810

% h

ueso

sP

olv

oG

rava

Agi

tado

res

deS

eco

: hi

erro

,In

solu

ble

acti

vado

en ta

mbo

res

5,2

kg90

% c

arbó

nL

echa

daP

érdi

da d

eto

lvas

acer

ove

geta

lpe

soR

otor

es a

Hú

med

o:

Vol

.-di

sco

prue

ba d

eac

ero,

cau

cho,

Líq

. R

otot

ipo

atas

cam

ient

obr

once

Bom

bas

detr

ansf

eren

cia

7.C

arbo

nato

CaC

O3

Pol

vo g

ranu

lar

Bol

sas

de 2

5-45

kg

0,56

2-0,

964

96-9

9%D

e ac

uerd

oS

atur

ador

esA

gita

dore

s en

Hie

rro,

47–2

9% f

de c

alci

oG

rava

o en

tam

bore

s1,

60 1

,85

con

el u

soG

rava

PP

>28

0to

lvas

,pl

ásti

co,

(tem

p)P

olv

okg

/hm

otor

es y

cerá

mic

a,no

es

Cor

rea

25-

unid

ades

aca

ucho

adec

uado

2.70

0 V

ol.

prue

ba d

eD

isco

> 5

kg/

hob

tura

cion

es

8. C

arbo

nato

Na 2C

O3

Cri

stal

esB

olsa

s de

45

kgE

xtra

liv.

99,2

%P

esad

oS

oluc

ión

Agi

tado

res

deH

ierr

o, a

cero

,7–

39%

fde

sod

ioP

olv

oT

ambo

res

11,4

5 kg

0,48

2N

aCO

3G

rava

> 1

0to

lvas

cauc

ho,

(tem

p)L

ivia

no58

% N

a 26kg

/h V

ol.

Tanq

ues

depl

ásti

co0,

642

disc

o 10

kg/

hso

luci

ón m

uyP

esad

ogr

ande

s1,

042

9.C

loro

Cl 2

Gas

líq

uido

Cil

indr

os d

e ac

ero

2,49

(co

n99

,8%

Gas

Clo

rado

res

deB

alan

zas

Líq

uid

o:

1,46

–ba

jo p

resi

ón10

0-15

0 lb

resp

ecto

al

vapo

ri-

solu

ción

Inte

r-hi

erro

, co

bre,

0,57

fT

anqu

es d

e 15

aire

)za

doco

nect

ador

esac

ero,

plá

stic

o(t

emp)

tone

lada

sV

apor

izad

ores

Ga

s:

vidr

io,

plat

a, c

auch

o,pl

ásti

co

10.

Clo

ruro

FeC

l 3S

oluc

ión

Bot

elló

n 19

,50

(l)

0,96

-1,0

435

-45%

Sol

ució

nR

otot

ipo

Tanq

ues

deC

auch

o,65

-91

fér

rico

(anh

idro

cris

tale

sTa

mbo

res

0,72

-0,9

660

%<

6.80

0 L

/hal

mac

ena-

vidr

io,

75

solu

ción

)gr

anul

ar45

.180

kg

96-9

7%P

ropo

rcio

nal

>m

ient

o y

cerá

mic

a,F

eCl 36

H2O

Tam

bore

s20

0 L

/hdi

solu

ción

plás

tico

(cri

stal

)68

.158

kg

For

ma

Con

cen

-tr

ació

nco

mer

cial

Com

pu

esto

Fór

mu

laP

rese

ntac

ión

Em

bal

aje

Den

sida

dT

ipos

de

dos

ific

ació

nA

cces

orio

sM

ater

ial

adec

uad

o p

ara

man

ejo

Ob

ser-

vaci

ones

sob

reso

lub

i-li

dad

Cua

dro

A.2

. Dat

os c

ompl

emen

tari

os so

bre

com

pues

tos q

uím

icos

uti

lizad

os e

n el

trat

amie

nto

de a

gua

(con

tinu

ació

n)

Casa de química 43

11.

Hid

róxi

doN

aOH

Po

lvo

Tam

bore

s 10

, 25,

0,80

-0,9

098

,9%

Úni

cam

ente

Sol

ució

nP

rote

cció

n de

l H

ierr

o

de s

odio

135

kgN

aOH

en s

oluc

ión

pers

onal

fund

ido,

ace

ro,

24,7

% N

a 2Oca

ucho

12.

Hip

oclo

rito

Ca(

OC

l)2

Pol

vo g

ranu

lar

Tam

bore

s 28

-45-

0,80

-0,8

8570

% C

loro

Sol

ució

nS

oluc

ión

Agi

tado

res

22-2

3% f

de

sod

io4

H2O

136

kgG

rava

250

(tem

p)kg

/hV

ol 1

0 kg

/h

13.

Hip

oclo

rito

NaO

Cl

Sol

ució

nB

otel

lón

25-5

0 L

13%

NaO

C1

Sol

ució

nS

oluc

ión

Tanq

ues,

Plá

stic

o

de s

odio

Tam

bore

s 10

0 L

12,5

med

idor

esca

ucho

,de

agu

ace

rám

ica

14.

Ozo

noO

3G

asG

ener

ado

en p

lant

a1%

de

Ozo

nado

res

Dif

usió

nV

idri

o,49

,4 c

m3

por

desc

arga

soz

ono

enD

ecan

tado

res

alum

inio

,el

éctr

icas

del

air

eel

air

ede

air

e c

erám

ica

15.

Pol

iclo

ruro

Al n

(OH

) mPA

C-2

50 A

Tam

bore

s1-

19-1

,21

10,5

% A

l 2O3

Sol

ució

nS

oluc

ión

Bom

bas

Plá

stic

o, d

e al

umin

ioC

l 3n-m

líq

uid

oB

olsa

s0,

80-0

,90

30%

Al 2O

3P

olv

oV

ol. g

rava

dosi

fica

dora

sca

ucho

PAC

-250

AD

Tam

bore

sTa

nque

s de

Po

lvo

solu

ción

16.

Síl

ice

Si O

2P

rodu

cció

n en

—1,

20-3

,30

41°

Bc.

Líq

uida

;S

oluc

ión

Tanq

ues

de a

ctiv

ada

plan

takg

/Lsi

lica

to d

eco

n co

ncen

-al

mac

ena-

sodi

otr

acio

nes

mie

nto

dilu

ido

ade

0,6

-1S

iste

mas

1,5%

ant

esc.

u. p

ara

de l

avad

ode

ser

evit

arac

tiva

do p

orfo

rmac

ione

sal

umbr

e,de

gel

sulf

ato

amón

ico,

clor

o,bi

carb

onat

ode

sod

io y

ácid

osu

lfúr

ico

For

ma

Con

cen

-tr

ació

nco

mer

cial

Com

pu

esto

Fór

mu

laP

rese

ntac

ión

Em

bal

aje

Den

sida

dT

ipos

de

dos

ific

ació

nA

cces

orio

sM

ater

ial

adec

uad

o p

ara

man

ejo

Ob

ser-

vaci

ones

sob

reso

lub

i-li

dad

Cua

dro

A.2

. Dat

os c

ompl

emen

tari

os so

bre

com

pues

tos q

uím

icos

uti

lizad

os e

n el

trat

amie

nto

de a

gua

(con

tinu

ació

n)


For

ma

Con

cen

-tr

ació

nco

mer

cial

Com

pu

esto

Fór

mu

laP

rese

ntac

ión

Em

bal

aje

Den

sida

dT

ipos

de

dos

ific

ació

nA

cces

orio

sM

ater

ial

adec

uad

o p

ara

man

ejo

Ob

ser-

vaci

ones

sob

reso

lub

i-li

dad

17. S

ulfa

to d

eA

l 2 (S

O4)

3G

ránu

los

Bol

sas

45-9

0 kg

0,96

4-1,

206

17%

Al 2O

3B

loqu

esS

atur

ació

nA

gita

dore

s en

Sec

o:

hier

ro,

5,7

a 17

% a

lum

inio

KS

O4.

24P

olv

oT

ambo

res

158-

181

kg(m

in.)

Grá

nulo

sS

oluc

ión

tanq

ues

deac

ero,

plá

stic

o(t

emp)

H2O

Blo

ques

Pro

duci

do e

nG

rava

> 1

00so

luci

ón y

Hú

med

o:

(apr

ox.)

Líq

uid

opl

anta

kg/h

tolv

aspl

ásti

co,

Vol

. > 5

kg/

hC

ontr

ol d

eca

ucho

, ace

ro,

tem

pera

tura

cerá

mic

a

18. S

ulfa

toFe

2 (SO

4)3

Grá

nulo

sB

olsa

s 45

kg

1,12

1-1,

153

68%

Grá

nulo

sG

rava

< 2

86Ta

nque

s de

Ace

roM

uy fé

rric

o3

H2O

Tam

bore

s 18

0 kg

Fe2(

SO

4)3

Sol

ució

nkg

/hso

luci

ón c

onin

oxid

able

,so

lubl

e (

sulf

ato

deFe

rri-

clea

r18

,5%

Fe

Vol

. > 4

5 kg

/hm

ezcl

ador

cauc

ho, p

lom

o h

ierr

o)Fe

2 (SO

4)3

76%

Cua

lqui

er t

ipo

eléc

tric

o y

cerá

mic

a,Fe

rri-

floc

Fe(S

O4)

3ex

trac

tor d

epl

ásti

co21

% F

eva

por

19. S

ulfa

toF

e S

O4

Grá

nulo

sB

olsa

s 45

kg

1,03

-1,0

655

% F

eSO

4G

ránu

los

Gra

va >

900

Tanq

ues

deS

eco

: h

ierr

o,0,

05 k

g/L

ferr

oso

7 H

2OC

rist

ales

Tam

bore

s 18

0 kg

20%

Fe

Sol

ució

nkg

/hso

luci

ón c

onac

ero,

con

cret

oT.

ret=

(co

pera

s)P

olv

o(o

p)V

ol.

univ

ersa

lm

ezcl

ador

Hú

med

o:

5 m

in.

Blo

ques

> 2

.800

kg/

hel

éctr

ico

cauc

ho, h

ierr

o,P

oco

Bal

anza

sas

falto

, ace

roso

lubl

ega

lvan

izad

o,pl

ásti

co

20. S

ulfa

to d

eC

u SO

4G

ránu

los

Bol

sas

45 k

g1-

1,20

99%

Po

lvo

Res

ervo

rios

Bot

as,

tanq

ues

Ace

ro19

-21%

cob

re5

H2O

Po

lvo

Tam

bore

s 18

0 kg

0,95

-1,1

0Sa

cos

dede

sol

ució

n,in

oxid

able

,(t

emp)

Blo

ques

0,80

-0,8

5as

pill

eras

bom

bas

asfa

lto,

Pla

nta

Tanq

ues

deca

ucho

,D

osif

. vol

.so

luci

ónpl

ásti

co,

gran

. o s

ol.

cerá

mic

a

Cua

dro

A.2

. Dat

os c

ompl

emen

tari

os so

bre

com

pues

tos q

uím

icos

uti

lizad

os e

n el

trat

amie

nto

de a

gua

(con

tinu

ació

n)

CAPÍTULO 2

MEZCLADORES

Mezcladores 47

1. INTRODUCCIÓN

Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea delcoagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lomás homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas pre-sentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es elproceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende laeficiencia de todo el sistema. No importa que los demás procesos siguientes seanmuy eficientes; si la coagulación es defectuosa, la eficiencia final del sistema esbaja.

La eficiencia de la coagulación depende de la dosificación y de la mezclarápida. En la unidad de mezcla la aplicación del coagulante debe ser constante ydistribuirse de manera uniforme en toda la sección. Debe existir una fuerte turbu-lencia para que la mezcla del coagulante y la masa de agua se dé en forma instan-tánea.

La mezcla rápida puede realizarse aprovechando la turbulencia provocadapor dispositivos hidráulicos o mecánicos.

2. PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO

• La intensidad de agitación, medida a través del gradiente de velocidad, pue-de variar de 700 a 1.300 s-1 o de 3.000 a 5.000 según el tipo de unidadseleccionada.

• El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segun-dos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y deltipo de unidad seleccionada. De la concentración de coloides presente en elagua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es:

alta concentración de coloides mecanismo de absorción o de neutrali-zación de cargas

→


baja concentración de coloides mecanismo de barrido.

2.1 Unidades hidráulicas

Entre los mezcladores de este tipo se pueden citar, entre los más utilizadospor su simplicidad y eficiencia, los siguientes:

• canales con cambio de pendiente o rampas;• canaletas Parshall;• vertederos rectangulares y triangulares;• difusores;• inyectores.

En los tres primeros mezcladores la turbulencia que ocasiona la mezcla esproducida por la generación de un resalto hidráulico que causa un gradiente develocidad de alrededor de 1.000 s-1. Estas unidades tienen la ventaja de que, ade-más, involucran la medición del caudal de ingreso a la planta.

Las unidades de resalto hidráulico son adecuadas para todo tipo de aguas;es decir, tanto para las que coagulan por el mecanismo de absorción o neutraliza-ción de carga como para las de barrido. Para las aguas que coagulan por el meca-nismo de barrido, son adecuados todos los tipos de mezcladores, inclusive losretromezcladores, porque en este caso, para que el mecanismo de barrido se pro-duzca, son más importantes las condiciones químicas (dosis de coagulante) quelos parámetros de mezcla.

En los difusores e inyectores se obtiene una eficiencia similar a la consegui-da en las unidades de resalto hidráulico, pero con menores gradientes de veloci-dad; esto es, con menor disipación de energía durante el proceso. Esto se debe aque la homogeneización coagulante-masa de agua en estas unidades se consiguecomo consecuencia de la gran cantidad de puntos de aplicación del coagulanteantes que de la agitación de la masa de agua. Otros tipos de mezcladores depatente como las denominadas unidades de mezcla en línea requieren gradientesde velocidad mayores, normalmente entre 3.000 y 5.000 s-1.

La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de media-nas a grandes (Q ≥ 500 L/s). El canal con cambio de pendiente se adecúa acualquier rango de caudal, y los vertederos rectangular y triangular solo a cauda-les pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s.

→

Mezcladores 49

h2h1

d1

P2

1 2

h2

h1

E1E2

C

0

E1

E20

E

E

P2

P1

E

2.1.1 Mezcladores de resalto hidráulico

Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor par-te del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir,aguas que presentan alta con-centración de coloides. Los ti-pos más frecuentes tienen laventaja de servir de unidadesde medición de caudal y deunidades de mezcla rápida, porlo cual son muy populares (fi-gura 2-1).

a) Parámetros de diseño

• Gradientes de veloci-dad entre 700 y 1.300s-1 y tiempos de reten-ción menores de un se-gundo.

• Números de Froude (F)variables entre 4,5 y 9,0para conseguir un saltoestable, con excepción dela canaleta Parshall, quefunciona mejor connúmeros de Froude entre2 y 3.

• El coagulante debe aplicar-se en el punto de mayorturbulencia (inicio del re-salto), en forma constantey distribuido de manerauniforme en toda la masade agua.

Figura 2-1. Resalto hidráulico (2)

Figura 2-2. Descripción esquemática delcriterio asumido (2)


∀

b) Criterios para el dimensionamiento

• Se supone que h1 es igual a d1 (figura 2-2).

• Las alturas de agua antes (h1) y después del resalto (h2) deben satisfacer lasiguiente ecuación:

h2/ h1 = ½ [ 1 + 8 F2 - 1] (1)

Donde:

F = V1 / g h1 (2)

y V1 es la velocidad en la sección (1).

• Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades demedición de caudal y como unidades de mezcla rápida.

• La energía hidráulica disipada o pérdida de carga se puede calcular en lalongitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger:

hp = (h2 - h1)3 / 4 h1 h2 (3)

• La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana:

L = 6 (h2 - h1) (4)

• Gradiente de velocidad (G) producido:

G = [γ Q hp /µ ]0,5 ó [ γ /µ] 0,5 . [ hp/ T] 0,5 (5)

• Tiempo de mezcla (T)

T = 2 L / (V1 + V2) (6)

γ = peso específico del agua (kg/m3)µ = coeficiente de viscosidad absolutaQ = caudal (m3/s)hp = pérdida de carga (m)

Mezcladores 51

= volumen comprendido entre las secciones (1) y (2)V

1= velocidad del agua en la sección (1)

V2

= velocidad del agua en la sección (2)

El cuadro 2-1 presenta los valores de para diferentes temperaturas:

Cuadro 2-1. Valores de (1)

d1

d2

cos

W

Wd2

hp

= h2

P1

Wd1

V1

Eo

LX

1 2

V2

P2

y/µ

Temperatura (°°°°°C)

0 2.336,944 2.501,5610 2.736,5315 2.920,0120 3.114,6425 3.266,96

Figura 2-3. Canal rectangular con cambiode pendiente (2)

c) Modelos de comprobación

Canal rectangular con cambio de pendiente o rampa. Un cambio de pen-diente en un canal es uno de los medios más simples de producir un salto hidráu-

lico con fines de mez-cla. Para comprobar sise están produciendolos valores recomenda-dos de gradiente de ve-locidad y tiempo de re-tención una vez asumi-da la geometría del ca-nal, es necesario calcu-lar las alturas y veloci-dades conjugadas enlas secciones (1) y (2)de la figura 2-3.

y/µ

y/µ


Ecuación de momentos (7):

Qw/g ( B2 V2 - B1 V1 cos θ) = P1 cos θ - P2 - FF (7)

P1 = 1/2 w d12 cosθ (8)

P2 = w d22 / 2 (9)

Q = V1 d1 = V2 d2 ; V2 = V1 d1 / d2

Si B1 = B2 ≈ 1 ; FF = o ; F1 = V1 / gd1

d2 / d1 = a

Sustituyendo:

V12 ( d1w /g) (V1 d1/ d2–V1cos θ) = (w d1

2 cos2 θ – w d22)/2 (10)

2 (V12 / d1 g) (d1 / d2 – cos θ) = cos2 θ – ( d2 / d1)

2

2 ( F12 /a) – 2 F1

2 cos θ = cos2 θ – a2

(a2 / 2 F1) + F1 / a = K

K = Factor de resolución de la ecuación

K = cos θ ( F1 + (cos θ/2 F1)) (11)

Una vez calculados h1 y V1, se aplican los criterios generales indicados enla sección anterior. El cuadro 2-1 presenta un ejemplo de aplicación de los crite-rios expuestos.

Al finalizar el cálculo, debemos comprobar lo siguiente:

altura de la rampa + tirante de agua en el vertedero de coronación de larampa = pérdida de carga + altura del tirante aguas abajo del resalto

Mezcladores 53

Figura 2-5. Empalme mezclador-floculador (4)

Si el cálculo no esconforme, hay que seguirmodificando los datos has-ta que los resultados satis-fagan esta condición.

La figura 2-4 mues-tra una rampa diseñadapara un caudal de 120 L/s.El resalto produce una tur-bulencia adecuada y se ubi-ca exactamente al pie dela rampa, porque la unidadse dimensionó y ubicó co-rrectamente.

d) Recomendaciones de diseño

Para conseguir un comportamiento hidráulico óptimo en la unidad, ademásde un buen dimensionamiento, es necesario que esta se ubique correctamente conrespecto a la siguiente unidad, que normalmente es el floculador y que los nivelesde ambos —el de salida de la rampa con el nivel de entrada al floculador— esténbien empalmados (figura 2-5).

La grada que se colocaal final de la longitud de mezclatiene la finalidad de contribuir acontener el resalto, para queeste se dé al pie de la rampa(figura 2-6).

En resumen, para que elmezclador opere correctamen-te, además de comprobar quela intensidad de turbulencia parala mezcla esté dentro del rangoapropiado y que cumplan conla igualdad:

Figura 2-4. Mezclador del tipo rampa en unaplanta mediana (4)

4.013

3.8033.713

3.620

3.323 3.353

3.703

2.313

3.5033.423

0.503

Floc.


Figura 2-6. Detalle de la elevación del mezcladorde tipo rampa (4)

Figura 2-7. Mezclador de tipo rampa enuna planta grande (4)

Eo + h3 = hp + h2 (12)

Criterios que se deben tener en cuenta al elaborar el perfil hidráulico de laplanta.

Cuando se tra-ta de unidades degran capacidad, esnecesario que la sec-ción de la caja de en-trada se diseñe parauna velocidad ascen-sional menor de unm/s. La tubería de en-trada debe ingresarpor el fondo de la caja,para que la masa deagua vaya perdiendoenergía al ascender. En estas condiciones, la lámina de agua alcanzará el vertede-ro de coronación de la rampa sin turbulencia, lo que permitirá medir el caudalcorrectamente.

e) Problemas de diseño máscomunes

La figura 2-7 muestra unmezclador de tipo rampa queopera con un caudal de 2,5 m3/s.La caja de entrada a esta uni-dad no tiene suficiente profun-didad para amortiguar la turbu-lencia de entrada. Fue necesa-rio colocar una tapa para con-tener las salpicaduras y evitarque estas inundaran el contornode la rampa.

4,013

3,8033,713

3,620

3,323 3,353

3,703

2,.313

3,503Aplicación del Sulfato de Aluminio

Entrada al Floculador

0,15 0,50 0,15 0,251,00 0,96 1,19

Mezcladores 55

Figura 2-8. Mezclador de tipo rampa mal ubicado (4)

Uno de los defectos de diseño máscomunes en este tipo de mezclador surgede no empalmar correctamente el niveldel agua a la salida de la rampa con elnivel de operación del floculador.

El mezclador de tipo rampa de lafigura 2-8 adolece de este defecto. El pro-yectista empalmó el fondo de la rampacon el fondo del floculador y la rampa que-dó ahogada.

Cuando el canal de aproximacióna la rampa da una vuelta de 90° antes delmezclador, el tirante de agua que embocael vertedero de coronación de la rampapresenta un nivel inclinado por efecto delvolteo, lo que anula la posibilidad de utili-zar el vertedero como medidor de cau-dal. En la figura 2-9 se puede observarque el efecto de la vuelta llega hasta elresalto, que también se presenta inclina-do.

Figura 2-9. Defectos en el canalde aproximación a la rampa (4)


Cua

dro

2-2.

Com

prob

ació

n de

las c

ondi

cion

es d

e mez

cla

en u

n ca

nal r

ecta

ngul

ar co

n ca

mbi

o d

e pen

dien

te o

mez

clad

or d

e tip

o ram

pa

1C

auda

l de

dise

ñom

3 /sq

= Q

/ B

q =

0,3

00 /

1,0

0C

auda

l un

itari

om

3 /s/m

Q =

0,3

00q

= 0

,30

Anc

ho d

el c

anal

mB

= 1,

002

Long

itud

del

plan

om

θ =

tg-1

( E o

/ X)

θ =

tg-1

(0,8

2 /

1,60

)In

clin

ació

n de

la

ram

para

dian

esX

= 1,

60θ

= 2

7,14

°o

grad

osA

ltura

de

ram

pam

sexa

gesi

-E o

= 0,

82m

ales

3N

úmer

o de

Fro

ude

K =

CO

S θ

(F +

(C

OS

θ /2

F))

K =

4,9

7F

= 5,

54

mØ

= C

OS-1

[F2

/ (2/3

F K

)3/2 ]

θ =

67,

09Fa

ctor

de

reso

luci

ón-

de l

a ec

uaci

óna

= d

2 / d

1a

= 7

,89

Rel

ació

n de

altu

ras

ante

s-

a = (

8 F

K/3

)0,5 (

CO

S (Ø

/3))

y de

spué

s de

l re

salto

5d 1

= 3

q2 / (

F2 g

)d 1

= 0

,07

Altu

ra a

ntes

del

mre

salt

o6

h 1 =

d1 / c

os è

h 1 =

0,0

76Pr

ofun

dida

d an

tes

del

mre

salt

o7

V 1 =

q /

h 1V 1

=

3,97

Velo

cida

d al

ini

cio

m/s

del

resa

lto8

F =

V1

/ g

h 1F

= 3

,97/

(9

,81)

(0,0

8) =

4,6

2N

úmer

o de

Fro

ude

(com

prob

ació

n)9

h 2 = d

2 = a

d1

h 2 =

0,5

3Pr

ofun

dida

d de

spué

sm

del

resa

lto10

L =

6(h

2 - h

1)L

= 2

,73

Long

itud

del

resa

ltom

11hp

=

(h2 -

h1)3 /

4 h 1h

2hp

= 0

,59

Pérd

ida

de c

arga

m

12

= (

h 1 + h

2) /2

) L.

B

=

((

0,0

8 +

0,5

3) /

2)Vo

lum

en d

el r

esal

tom

3

(2,7

3) (

1,0)

=

0,8

3

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

∀

∀

∀

Mezcladores 57

Cua

dro

2-2.

Com

prob

ació

n de

las c

ondi

cion

es d

e mez

cla

en u

n ca

nal r

ecta

ngul

ar co

n ca

mbi

o d

e pen

dien

te o

mez

clad

or d

e tip

o ram

pa (c

ontin

uaci

ón)

13

= 2

.736

G =

.

Q h

p/

G =

2.7

36

(0,

30)

(0,5

9) /

0,8

3G

radi

ente

de

velo

cida

ds-1

T

= 10

°C

G =

1.2

63

14T

=

/ Q

T =

0,8

3/ 0

,30

Tiem

po d

e m

ezcl

as

T =

2,7

6

15h

= 1

/6 h

2h

= 1

/6 .(

0,53

) ;

h=

0,0

9G

rada

al

final

del

res

alto

m

16h 3 =

(Q /

1,84

B)2/

3h 3 =

(0,

30/1

,84

x 1)

2/3

= 0

,30

Altu

ra d

e ag

ua e

nm

el v

erte

dero

17e

= 0,

05m

N =

B/ e

N =

1,0

0/0,

10 ;

N

= 1

0N

úmer

o de

orif

icio

s en

el d

ifuso

r

18do

= 0

,5 p

ulga

-Ao

= ð

do2 /4

Ao =

0,0

001

Secc

ión

de l

os o

rific

ios

m2

das

19D

osis

ópt

ima

mg/

Lq

= Q

. D /

Cq

= 0

,75

Cau

dal

prom

edio

de

L/s

prom

edio

= 5

0so

luci

ón p

or a

plic

ar

C =

2% =

20.

000

mg/

L

20Vo

= q

/ Ao

. NVo

= 0

,576

Velo

cida

d en

los

m/s

orif

icio

s

21R

= 0,

46Vt

= V

o / R

Vt =

0,5

76 /

0,4

6Ve

loci

dad

en l

a tu

bería

m/s

Vt =

1,2

5

22At

= q

/ Vt

At =

0,7

5 /(

1,25

x 1

000)

Secc

ión

del

difu

sor

m2

At =

0,0

0058

23D

t = (

π )

/ 0,

0254

Dt =

1”

Diá

met

ro d

el d

ifuso

r p

ulga

das

24E o +

h3 =

hp

+ h

20,

82 +

0,3

0 =

1,1

2C

ompr

ueba

la

igua

ldad

0,59

+ 0

,53

= 1

,12

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

∀

∀y/

µ

Res

ulta

dos

Uni

dad

/ At

4 y/µ


Figura 2-10. Canaleta Parshall

N

Planta

H

CD

A

G

W2/3 A

H3Pérdida de

cargaCorte

B F

h1h2

K

E

2.1.2 Canaleta Parshall (1)

Se usa la canaleta Parshall normalmente con la doble finalidad de medir elcaudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con descargalibre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, loque origina el resalto. Fue ideada en 1927 por R. L. Parshall y patentada en variostamaños con las dimensiones indicadas en el cuadro 2-3.

La secuencia de cálculo es semejante a la del caso anterior, si se introducenlas alteraciones debidas a las variaciones en la sección 0 de medición (figura2-11).

Mezcladores 59

Ho

41 3Secciones 0 2

N X

W

G

K

D Dl

W W C

B2/3 B

GF

hf

h1

h2

h3

Pulgadas

Figura 2-11. Canaleta Parshall

E0 = V02 / 2g + Ho + N (13)

La altura de agua enla sección de medición pue-de ser calculada por la si-guiente ecuación:

H0 = K Qm (14)

Los valores de K y mse pueden obtener del cua-dro 2-4.

La velocidad en lasección de medición se cal-cula mediante la siguienterelación:

Cuadro 2-3. Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall

W A B C D E F G K N

(cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm)

1" 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,93" 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,76" 15,2 61,0 61,0 39,4 40,3 61,0 30,5 61,0 7,6 11,49" 22,9 88,0 86,4 38,0 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,41' 30,5 137,2 134,4 61,0 84,5 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9

1 1/2' 45,7 144,9 142,0 76,2 102,6 91,5 61,0 91,5 7,6 22,92' 61,0 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,93' 91,5 167,7 164,5 122,0 157,2 91,5 61,0 91,5 7,6 22,94' 122,0 183,0 179,5 152,5 193,8 91,5 61,0 91,5 7,6 22,95' 152,5 198,3 194,1 183,0 230,3 91,5 61,0 91,5 7,6 22,96' 183,0 213,5 209,0 213,5 266,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,97' 213,5 228,8 224,0 244,0 303,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,98' 244,0 244,0 239,2 274,5 340,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,910' 305,0 274,5 427,0 366,0 475,9 122,0 91,5 183,0 15,3 34,3


Ancho de la garganta delParshall (w)

pulgadas metrosK m

3" 0,075 3,704 0,6466" 0,150 1,842 0,6369" 0,229 1,486 0,6331' 0,305 1,276 0,657

1 1/2' 0,460 0,966 0,6502' 0,610 0,795 0,6453' 0,915 0,608 0,6394' 1,220 0,505 0,6345' 1,525 0,436 0,6306' 1,830 0,389 0,6278' 2,440 0,324 0,623

Cuadro 2-4. Valores de K y m para la ecuación 13

V0 = Q / H0 D’ (15)

por relaciones geométricas:

D’ = 2 / 3 (D - W) + W (16)

Donde D, N y W son las dimensiones de la canaleta dadas en el cuadro 2-3.

Se puede considerar que toda la energía disipada en la canaleta Parshall seda entre la salida de la garganta (sección 2) y la sección de salida de la canaleta(sección 3) y que en este volumen la mezcla es prácticamente completa.

Bajo condiciones de flujo con descarga libre, la pérdida de carga puedecalcularse mediante la siguiente fórmula (figura 2-11):

hf = Ho + K – h3 (17)

El cuadro 2-5 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos.

La figura 2-12 muestra una canaleta Parshall, diseñada para una capacidadde un m/s, que opera como mezclador y medidor de caudal.

Mezcladores 61

Figura 2-12. Canaleta Parshall para 1,0 m3/s (4)

Figura 2-13. Canaleta Parshall defectuosa (4)

En el caso de mezcla-dores de tipo canaleta Parshall,también debe empalmarse elnivel de salida de la canaletacon el nivel de entrada delfloculador para que el resaltose produzca en la garganta dela unidad. Al proyectar unacanaleta Parshall, se deben te-ner en cuenta las recomenda-ciones relacionadas con la lon-gitud de los canales de aproxi-mación y salida para que secomporte adecuadamente.

a) Problemas de diseño más comunes

La figura 2-13 ilustra lo que sucede cuando no se ha efectuado correcta-mente el empalme de niveles de la canaleta con la siguiente unidad: el resalto sedesplaza y se ubica en el nivel más bajo. Como en el proyecto se indica que laaplicación del coagulante se debe hacer en la garganta de la canaleta —lugardonde suponía el proyectista que se iba a obtener el resalto—, dicha aplicación sehace en un punto en el que no hay turbulencia. Este defecto es muy frecuente eneste tipo de unidades.

La figura 2-14 ilustraotro problema muy común.El resalto hidráulico no se lle-ga a formar porque durantela etapa de elaboración delproyecto solo se comproba-ron las condiciones de ope-ración de la unidad con elcaudal del final del periodode diseño de la planta y nose determinó cómo iba acomportarse con el caudal dela primera etapa.


Figura 2-14. No llega a formarse el resalto (4)

Figura 2-15. Forma de ingreso a la canaleta ( 4)

El resultado es que nose está formando el resaltohidráulico, debido a que elcaudal de operación en la pri-mera etapa es muy bajo y,por consiguiente, la mezclaresulta muy pobre e inefi-ciente. En estos casos, debeseleccionarse un ancho degarganta que pueda operarcon los dos caudales, dentrodel rango de los parámetrosde mezcla recomendados.

El caudal que alimenta a la canaleta de la figura 2-15 viene del desarenador,que se proyectó elevado sobre el terreno. La tubería que se aprecia en la fotosaliendo del desarenador (donde están las dos personas) lo hace muy superficial-mente, por lo que ingresa aire a la tubería.

El aire y la carga de entrada al canal producen salpicaduras de agua alrede-dor de la unidad, por lo que se colocaron tablones fijados con los cilindros que sepueden apreciar en la foto, para evitar que la zona se inundase.

La canaleta se ubicóigualando el fondo de estacon el del floculador y operaahogada (figura 2-16). Lasondulaciones que se aprecianen la figura son originadaspor los chorros de aire quepasan a través de la tuberíade entrada. La canaleta noopera como medidor ni comomezclador debido a la sumade los defectos indicados.

Mezcladores 63

Figura 2-16. Canaleta Parshall mal ubicada (4)

Figura 2-17. Canaleta Parshallcontrahecha (4)

En la figura 2-17 sepuede apreciar una canaletaParshall de la cual sale latubería hacia la planta. Launidad carece de canales deaproximación y de salida,comienza en la transición deingreso y termina con la desalida; en estas condicio-nes, esta canaleta no es útilcomo medidor porque nosigue las recomendacionesde Parshall para este fin.

La figura 2-18 mues-tra el interior de la canaleta de la figura 2-17, que está siendo usada como mezcla-dor y medidor de caudal. Se puede apreciar que no se está formando resaltohidráulico debido a que no se empalmaron las líneas de flujo. La siguiente unidadestá a más de 100 metros de distancia y a un nivel más bajo con respecto a lacanaleta. Tampoco se proyectó un difusor para aplicar el coagulante en todo elancho que ocupa la masa de agua. De esta manera, la mezcla obtenida es muydeficiente.

En la canaleta de lafigura 2-19 se puede apreciarque no se consideró el canalde aproximación. El aguaemboca a la canaleta des-pués de una vuelta de 90 gra-dos y luego de pasar por dosorificios.


Figura 2-18. Interior de la canaleta de lafigura 2-17 (4)

Figura 2-19. Canaleta Parshall defectuosa (4)

Mezcladores 65P

aso

Dat

osC

rite

rios

Cál

culo

sU

nida

dR

esul

tado

s

1C

auda

lm

3 /sH

o =

KQ

nH

o =

0,6

08 (

0,76

)0,63

9A

ltura

de

agua

en

lam

Q =

0,7

60se

cció

n de

med

ició

n

Tam

año

de l

am

Ho

= 0,

51ca

nale

taW

= 3

' =

0,91

5C

onst

ante

sun

idad

K =

0,6

08n

= 0,

639

2D

imen

sión

de

lam

D’=

2/3

(D-W

) +

WD

’ =

2/3

(1,

572-

0,91

5) +

0,9

15A

ncho

de

la s

ecci

ónm

cana

leta

D =

1,5

72de

med

ició

nD

’ =

1,35

3Vo

= Q

/D’H

oVo

=

0,76

0 /

(1,3

5 x

0,51

)Ve

loci

dad

en l

am

/sVo

= 1

,10

secc

ión

de m

edic

ión

4 q

= Q

/Wq

= 0

,760

/ 0

,915

Cau

dal

espe

cífic

o en

la

m3 /s

/mq

= 0

,83

garg

anta

de

la c

anal

eta

5D

imen

sión

de

lam

Eo =

(Vo

2 / 2

g) +

Ho

+ N

Eo =

((1

,10)

2 /(

2 x

9,8)

)C

arga

hid

rául

ica

mca

nale

ta

+

0,5

1 +

0,2

3di

spon

ible

N =

0,2

3Eo

= 0

,80

6co

s è

= –

qg/

(2/

3gEo

)1,5

cos

è =

– (

9,8

x 0,

83)/(

2/3

cos

è =

– 0,

68x

9,8

x 0,

8) 1

,5è

= 13

2° 5

4'

7V 1

= 2

(2gE

o/3)

0,5

c

osθ/

3V 1

= 2

((2

x 9

,8 x

0,8

)/3)0,

5V

eloc

idad

ant

esm

/sco

s (4

4°18

'/3)

del

resa

ltoV 1

= 3,

29

8 h

1 = q

/ V 1

h 1 =

0,8

3/3,

29A

ltura

del

agu

a an

tes

mh 1

= 0

,25

del

resa

lto

Uni

dad

Cua

dro 2

-5. E

jem

plo d

e com

prob

ació

n de

las c

ondi

cion

es d

e mez

cla d

e una

cana

leta

Par

shal

l


Cua

dro 2

-5. E

jem

plo d

e com

prob

ació

n de

las c

ondi

cion

es d

e mez

cla d

e una

cana

leta

Par

shal

l (co

ntin

uaci

ón)

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

9F 1 =

V1 /

g h

1F 1

= 3

,29/

9

,8 x

0,2

5N

úmer

o de

Fro

ude

unid

adF 1

= 2

,10

10h 2 =

h1

/2 [

(1+

8F12

) 0,

5 - 1

]h 2

=

0,25

/2 [

(1+

8(2,

1)2 )

0,5

- 1]

Altu

ra d

el r

esal

tom

h 2 =

0,63

11V 2 =

Q /

Wh 2

V 2 =

0,7

60 /

0,9

15 x

0,6

3Ve

loci

dad

en e

l re

salto

m/s

V 2 =

1,32

12D

imen

sión

mh 3 =

h2 -

(N

-K1 )

h 3 =

0,6

3 -

(0,2

3 –

0,08

)A

ltura

en

la s

ecci

ónm

K1

= 0,

08de

sal

ida

de l

a ca

nale

tah 3

= 0,

48

13D

imen

sión

mV 3 =

Q /

Ch 3

V 3 =

0,

760

/ 1,

22 x

0,4

8Ve

loci

dad

en l

a se

cció

nm

/sC

= 1

,22

V 3 =

1,3

0de

sal

ida

14hp

= H

o +

K -

h3

hp =

0,5

1 +

0,0

8 –

0,48

Pérd

ida

de c

arga

en

elm

hp =

0,1

1re

salt

o

15D

imen

sión

mT

= 2

G’/

V 2 + V

3T

= 2

x 0

,915

/ (1

,32

+ 1

,30)

Tiem

po d

e m

ezcl

a en

el

sG

’ =

0,91

5re

salt

oT

= 0,

7

16

ã/ì

= 2.

736

G =

ã

/ ì

hp/T

G =

2.7

36

0,11

/0,7

Gra

dien

te d

e ve

loci

dad

s-1

T =

10

°CG

= 1

,084

Mezcladores 67

Figura 2-20. Vertedero rectangular (2)

2.1.3 Vertedero rectangular

Esta unidadconsiste en un canalrectangular con un ver-tedero rectangular sincontracciones a todo loancho del canal (figu-ra 2-20).

La lámina ver-tiente, después de pa-sar sobre el vertedero,toca el fondo del canalen la sección 1, a unadistancia Lm del verte-dero. Cuando la lámi-na de agua alcanza el fondo, se divide en una corriente principal que se muevehacia el frente y en una corriente secundaria que retorna. Para evitar el efectoperjudicial de la zona muerta que forma un vertedero de paredes verticales, serecomienda el diseño de vertedero de la figura 2-20. La distancia Lm puede sercalculada por la ecuación de Scimeni:

Lm = 4,3 P ( hc / P) 0,9 (18)

La longitud de la mezcla (LJ) se calcula mediante la ecuación 4. Para elcálculo del gradiente de velocidad, es necesario conocer la energía consumida enel resalto (figura 2-20). La altura de agua en esta sección (h1) está relacionadacon la altura crítica (hc) por la siguiente ecuación:

h1 = (19)

hc = 3 q2 / g (20)

donde q es el caudal específico

chP2,56

2hc

+

CoagulanteH

P

B

h1

Q

h2

1

Q1

Lm

1

Lj

2

16

h2


Figura 2-21. Vertedero rectangular comomezclador (4)

(q = Q/B) y Q = 1,84 x B x H3/2 (21)

El cuadro 2-6 presenta unejemplo de aplicación de los cri-terios expuestos.

La figura 2-21 muestra unmezclador de tipo vertedero ope-rando correctamente.

2.1.4 Vertedero triangular

Este tipo de mezcladorconsiste en un canal rectangulary un vertedero de 90° colocado

a una altura (P) medida del vértice del vertedero al fondo del canal. Esta alterna-tiva solo es apropiada para caudales pequeños.

En este caso, la altura de agua (h) en el vertedero se calcula mediante lasiguiente expresión:

(22)

Con caudales de alrede-dor de 30 L/s como el del ejem-plo del cuadro 2-7, el ancho delcanal (B) puede ser igual al dela lámina de agua (L). CuandoL sea demasiado pequeña, pormotivos de construcción, sehará B = 2 L.

Cuando no se deja la al-tura de agua apropiada entre elvértice del vertedero y el niveldel agua en el canal, el resaltoque se forma es muy pobre (fi-gura 2-22).

Figura 2-22. Vertedero triangularcomo mezclador

0,4

1,4Qh ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

Mezcladores 69

Cua

dro

2-6.

Com

prob

ació

n de

las c

ondi

cion

es d

e mez

cla

en u

n ve

rted

ero

rect

angu

lar

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

1C

auda

lm

3 /sq

= Q

/ Bq

= 0

,017

/ 0,

5C

auda

l es

pecí

fico

m3 /s

/mQ

= 0

,017

q =

0,03

4A

ncho

del

ver

tede

rom

B =

0,50

2H

= 0

,67

q2/3

H =

0,6

7(0,

034)

2/3

Car

ga d

ispo

nibl

em

H =

0,0

673

g =

9,8

m/s

2A

ltura

crí

tica

mh c

= 0,

054

Altu

ra d

e la

cre

sta

mh 1 =

2

. h c

/ P

/ hc +

2,56

h 1 =

(1,4

14 x

0,0

5) /

Altu

ra d

e ag

uam

P =

0,67

((

0,67

/0,0

5) +

2,5

6)en

la

secc

ión

(1)

h 1 =

0,01

765

V 1 = q

/ h 1

V 1 =

0,0

34/0

,017

6Ve

loci

dad

en l

a se

cció

nm

/s(1

) V 1

= 1,

936

F 1 = V

1 /

g h

1F 1

= 1

,93/

9

,8 x

0,0

176

Núm

ero

de F

roud

eU

nid.

F 1 =

4,65

7h 2 =

h 1/2

(

1+8

F 12 –

1)h 2

= (

0,01

76)(

( 1

+8(

4,63

)2 ) –

1)

Altu

ra d

e ag

ua e

n la

m

2

secc

ión

(2)

h 2 =

0,11

8V 2 =

q/h

2V 2

= 0

,034

/ 0,

11Ve

loci

dad

en l

a se

cció

nm

/s (

2) V

2 = 0

,31

9L J =

6(h

2 - h

1)L J

= 6

(0,1

1 –

0,01

76)

Long

itud

del

resa

ltom

L J =

0,55

10L m

= 4

,3 P

( h

c / p

) 0

,9L m

= 4

,3(0

,67)

(0,

049/

0,6

7) 0

,9D

ista

ncia

del

ver

tede

rom

L m =

0,2

8a

la s

ecci

ón (

1)

11hp

=

(h2 -

h1)3

/4 h

2 h1

hp =

(0,

11 –

0,0

176)

3 /4

x 0

,11

xPé

rdid

a de

car

ga e

n el

m0,

0176

resa

lto

hp =

0,1

0

32

/gq

h c=

32

c/9

,8(0

,034

)h=

Uni

dad


Cua

dro 2

-6. C

ompr

obac

ión

de la

s con

dici

ones

de m

ezcl

a en

un ve

rted

ero r

ecta

ngul

ar (c

ontin

uaci

ón)

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

12Vm

= (V

1 + V

2 )/

2Vm

= (

1,93

+ 0

,31)

/ 2

Velo

cida

d m

edia

m/s

Vm =

1,1

2

13T

= L

j / V

mT

= 0

,54

/ 1,

12Ti

empo

de

mez

cla

sT

= 0,

48

14

ã/ì

= 2

.736

G =

ã/

ì

hp/ T

G =

2.7

36

0,1

0 /

0,48

Gra

dien

te d

e ve

loci

dad

s-1

T =

10 °

CG

= 1

,249

15H

3 =

Q /

(1,

84 B

) 0.

67H

3 =

0,0

17/(

1,84

x 0

,5) 0

,67

Altu

ra d

e ag

ua e

n el

mH

3 =

0,0

18ve

rted

ero

16e

= 0,

05m

N =

B/ e

N =

0,5

/0,0

5;N

úmer

o de

orif

icio

s en

N =

10

el d

ifuso

r

17do

= 0

,5pu

lgad

aAo

= π

d2 /4

Ao =

0,0

001

Secc

ión

de lo

sm

2

orif

icio

s

18D

osis

ópt

ima

mg/

Lqo

= Q

. D /

Cqo

= 0

,021

Cau

dal

prom

edio

de

L/s

prom

edio

= 2

5so

luci

ón p

or a

plic

ar

19C

= 2

,0%

= 2

0.00

0Vo

= q

o / A

o . N

Vo =

0,0

21/

(0,0

001

x 10

)Ve

loci

dad

en l

osm

/sVo

= 0

,02

orif

icio

s

20R

= 0,

46Vt

= V

o / R

Vt =

0,0

2 /

0,46

= 0

,043

5Ve

loci

dad

en l

a tu

bería

m/s

21At

= q

o / V

tAt

= (

0,02

1/10

00)/

0,04

35Se

cció

n de

l di

fuso

rm

2

At =

0,0

0048

22D

t = 1

”D

iám

etro

del

difu

sor

pulg

ada

⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛

⎟ ⎠⎞⎜ ⎝⎛

=02

54,0

14

5,0

πAtD

t

Mezcladores 71

Figura 2-23. Defectos en el diseño de unvertedero triangular como mezclador

En el mezclador de la fi-gura 2-23 no se está producien-do el resalto en el punto en queel chorro de agua pega sobre lasuperficie en el canal, porque ade-más de que no se dejó la alturaadecuada entre el vértice y el ni-vel del agua, tampoco se empal-mó el nivel del canal con el niveldel floculador. De este modo, elresalto se está produciendo en laentrada del floculador.

2.1.5 Difusores

Este tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezclaprofundos y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador. Cuan-do la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más eficiente sila aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto.Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenosdebido a que la mezcla se completará en una distancia tal como L, lo que deman-dará un exagerado tiempo de mezcla (T) (figura 2-24-a). Como el sulfato dealuminio al contacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segun-do, la eficiencia del proceso disminuye.

Cuando el nú-mero de puntos deaplicación es mayor,menor es la distancia(L/4) y el tiempo demezcla (T/4) (figura2-24-b), y la disper-sión del coagulantemás rápida, con lo quese logra una eficien-cia mayor. Figura 2-24. Principio de los difusores (1)

1 punto de aplicaciónTiempo de mezcla = T

(a)

4 puntos de aplicaciónTiempo de mezcla = T/4

(b)

L L

72 Diseño de plantas de tecnología apropiadanu ne adi pár a lcze

m ed sen oic idn oc s al ed nó icab orpmo

C . 7- 2 ordauC

09 ed ralugnairt oredetrev°°°° °

osaP

sotaD

seda dinU

solucláC

daditnaC

dadinU

sodatluseR

o ñesi d ed l aduaC

10 30, 0

= Q

m3

s/] 4, 1/

Q[ = h

4, 0m

ed animál al ed arutl

A ]4,1/0 30 ,0[

= h 4,0

1 2,0 = h

oredetrev le erbos auga

2h 2

= Lm

animál al ed ohcn

A)12,0( 2

= Lled ohcna y etneitrev

24, 0 = L

la nac

l ana c l ed ohc nA

354 ,0

= Bm

B /Q

= qm

oi rati nu l ad uaC

3s /x

m54,0/030,0

= qL

= Boi

dem

orp

660,0 = q

ed nó icarelecA

418 ,9

= gs/

m2

h c=

3 q

2g /

ma cit ír c arut l

Adadevarg al

h c

= 3

)6 60,0( 2

18,9/h c

97 0, 0 =

ec itrév le edsed a rutlA

50,1

= Pm

h 1h 14,1

= c

h /P + 65,2 /

cm

led oicini la arutlA

le atsah oredetrev ledh 1

970,0/0,1 + 65,2 / )970,0( 14,1

= otlaser

sauga lan ac l ed o dn ofh 1

820,0 =

ojaba

6V 1

h/q =

1s/

mled oicini la dadicole

VV 1

V 8 20, 0/660,0 =

16 3,2

= ot las er

7F 1

V =

1h g /

1)820,0( 18,9 /63.2

= eduor

F ed oremú

NF 1

5,4 =

8h 2

h =

1F 8

+ 1 [ 2/1

]1 - m

séupsed auga ed arutlA

h 21 - )5,4( 8

+ 1 [ )2/8 20,0( =

otlaser led]

h 2170,0

=

Mezcladores 73

osaP

sotaD

s eda di nU

solu clá

Cdad itna

Csodatluse

R

9V 2

h /q =

2s/

mled lanif la dadicole

VV 2

V ; 170,0/660,0 =

239,0

= otlaser

01

h ph(

= 2

h - 1)3

h 4 /1

h 2

mne ada pisid aígren

Eh p

)820,0 – 17 0, 0( =

3)820, 0( )1 70,0( 4 /

o tlaser leh p

) 01( 99,9 =

3-

11

L mh(6

= 2

h - 1)

motlaser led dutigno

LL m

)820,0 – 70 ,0( 6 =

L m852, 0

=

21

h (P 3,4 = ’L

c)P /

9,0m

led aicnatsiD

)0, 1/9 70 ,0( )1( 3,4 = ’L

9,0a l a or ed et rev

44, 0 = ’L

1 n óicc es

31

V mV(

= 1

V +

22/)39,0

+ 63,2( = 2/)

s/m

oidemorp dadicole

VV m

5 6,1 =

otlaser le ne

41

L = T

mV/

m56 ,1 /85 2, 0

= T ; s

a lcz em e d o p

meiT

61 ,0 = T

51

µ/r 02 9.2

=h . µ/ r

= G

pT/

sdadicolev ed etneidar

G1-

T 51

= °C

)01( 9 9,9( 0 29. 2 =

G3-

)06 1,0/5,0

037 =

G

dadinU

nu ne adipár alczem ed senoicidnoc sal ed nóicaborp

moC .7-2 ordau

C09 ed ralug na irt ore detrev

( °( °( °( ° ( °)nóicaunitnoc


En las unidades de mezcla de resalto hidráulico, en las que la lámina deagua en el punto en que se origina el resalto (punto de aplicación del coagulante)es muy delgada, se emplea un difusor constituido por un tubo perforado o por unacanaleta de distribución como la indicada en la figura 2-25.

Figura 2-25. Canaleta de distribución de sulfato de aluminio (1)

En canales donde la lámina de agua es relativamente profunda o en tube-rías bajo presión se pueden utilizar los dispositivos indicados en las figuras 2-26 y2-27.

Estas unidades son adecuadas para aguas que coagulan por mecanismosde adsorción o de barrido.


• El gradiente de velocidad puede variar entre 500 y 1.000 s-1.

• El tiempo de retención puede variar entre 1 y 7 segundos.

• El espacio máximo entre dos orificios nunca debe ser superior a 10 centí-metros, para que el coagulante se distribuya de manera uniforme en toda lasección del canal.

• Los chorros de coagulante deben tener una velocidad de 3 m/s y debendirigirse en sentido perpendicular al flujo.

• Los orificios deben tener un diámetro mínimo de 3 mm.

Sección longitudinal Sección transversal

Coagulante

Tubo difusor

Mezcladores 75

• La velocidad de la masa del agua donde se distribuyen los chorros deberáser igual o superior a 2 m/s.

• Deben preverse facilidades para la limpieza o para la rápida sustitución deldifusor. Los difusores en tuberías no permiten ver cómo está operando launidad, por lo que resulta una unidad muy vulnerable en sistemas donde nose disponga de un buen nivel de operación.

Figura 2-26. Difusor en tubería (1)

Figura 2-27. Difusor en canal (1)

Coagulante

Barrasmetálicas

JuntaDresser

Válvulas paralimpieza

Orificios

Caja distribui-dora (móvil)

Plástico

Tubo de acero

Tubo interno(removible)

Orificios

Tubo externo(fijo)


Diámetro de las barrasValor de acm pulgadas

0,16 (1/16) 0,40

0,31 (1/8) 0,540,63 (1/4) 0,80

1,25 (1/2) 1,13

2,52 (1) 1,47

b) Criterios para el dimensionamiento

En el cálculo de estas unidades se utiliza el modelo de Stenquist:

C1 F / C01 = α [l/ d ]-a (23)

Donde:

α = coeficiente que depende del número de orificios y de la relación Q/q(relación del caudal de la masa de agua con el caudal del coagulante).Los experimentos realizados por Stenquist proporcionan un valor deα = 5

F = densidad de orificios en el difusor o número de orificios por pulgadacuadrada

d = diámetro de las barras que constituyen la reja del difusora = tasa de reducción de las fluctuaciones de la concentración. Depende

del diámetro de las barras (d). Valores experimentales determinadospor Stenquist (cuadro 2-8)

l = longitud de la mezcla (m)C1/C0

1 = grado de segregación de la solución del coagulante aplicado ( IS )

Cuadro 2-8. Valores de constantesααααα = 5,00

C01 = concentración inicial del coagulante en el flujo de agua = CA . q/Q,

Donde:

CA y q son la concentración y el caudal de la solución del coagulante, respectiva-mente.Q = caudal de agua (m3/s).

Mezcladores 77

La separación entre barras (M) se calcula en función del grado de solidez(S):

M = d [1/(1 - 1-S)] (24)

Donde:

S = K / (1 + K) (25)

siendo K el coeficiente de pérdida de carga, la pérdida de carga (h) se obtendráde:

h = K V2 / 2g (26)

El gradiente de velocidad se obtendrá mediante la ecuación general paraunidades hidráulicas:

G = γ/µ . hf/ T (27)

2.1.6 Inyectores

En este tipo de unidades se consigue la homogeneización instantánea delcoagulante con el flujo de agua, a partir de la regulación de la velocidad de loschorros y del número de chorros dentro de la sección de la masa de agua.


• La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velo-cidad del flujo del agua.

• La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorroses por lo menos 80% de la sección del tubo.

b) Criterios para el dimensionamiento de los inyectores

• Ecuación básica del perfil del chorro en flujo turbulento (figura 2-28) segúnPratte y Baines (2):

[x / d . R ] = C [ z / d R] 0,28 (28)


Donde:

x = diámetro del chorro al final de la zona de máxima deflexiónz = longitud de mezclaR = relación de velocidades del chorro (u) y del agua (V)d = diámetro de los orificios de inyecciónC = coeficientes de los perfiles del chorro (2)CS = coeficiente del perfil superior = 2,63Cc = coeficiente del perfil central = 2,05Ci = coeficiente del perfil inferior = 1,35

• Al final de la zona de máxima deflexión, se supone lo siguiente:

z / d1 R = 3 (29)

d1 = diámetro de los orificios de la primera hilera.

x = diámetro de los chorros

x = 1.741 . d . R , donde R = u/V (30)

• Ecuaciones de los perfiles superior e inferior, a partir de las ecuaciones 28y 29:

xs / d1 R = 2,63 (3)0,28 = 3,58 (31)

xi / d1 R = 1,35 (3)0,28 = 1,84 (32)

• Diámetro de los orificios de la segunda hilera (d2):

d2 = 0,5 d1 (33)

• Caudal de la solución de coagulante (q):

q = u (π /4) [ N1 d12 + N2 d2

2 ] (34)

N1 = Número de orificios de la primera hileraN2 = Número de orificios de la segunda hilera

Mezcladores 79

• Pérdida de carga en los chorros (hf)

hf = K u2 / 2g (35)

Figura 2-28. Perfil del chorro en flujo turbulento

• Gradiente de velocidad generado por los chorros:

G = γ q . hf / µ (36)

= volumen de mezcla

= π D2/4 (Z1 + Z1) (37)

El cuadro 2-9 indica la secuencia de cálculo de un inyector y su aplicación(figura 2-29)(3).

Figura 2-29. Diseño de un inyector de 24 chorros

∀

∀

deflexión

D

Zona nucleada

Z = 10 dR

Zona de máx.

V

Zona devórtice

dµ

X

q (coagulante)

Aguacruda

(A) (B)

(C) (D)

D/2X = 0,15

0,15

D

d2

d1

z1z2

q

0,42 m3/s

∀


o saP

sotaD

d ad inU

oiret irC

ol obmíS

od at luseR

dadinU

02 4,0 = ladua

C1

Qm

3s/

)6, 0( (/024, 0 = A /

Q = V

2)4 /π

s/m

aír ebut a l n e dad icoleV

5, 1 = V

0 6,0 = aíre but ed o rte

máiD

Dm

seda dicolev ed nóicaleR

22,5

= )5, 1( 5,3 = µ ; V R

= µR

s/m

sorrohc sol ed dadicoleV

5 ,3 =

x odn eic aH

3s

2 /D a l au gi

x sm

x sd /

185, 3

= R m

s oi cifiro so l ed o rtemái

Dd 1

] )5, 3( )85,3 ( ) 2([ /06,0 =

are lih aremi rp a l ed

d 1420,0

= 4

x∆

1d 147, 1

= 1R

mal ed sorrohc ed orte

máiD

x∆

151,0

= )5,3( )420,0( 147 ,1 =

arelih aremirp

s oi cifiro s ol e d or emú

N5

N 1.

N°

A 1N

= 1

x∆ π

2)5 1,0 ( π ) 21([

= 4/ 2

4/]m

so rrohc sol ro p atrei bu c ae rÁ

2

21 =

A 112,0

= ar elih are

mi rp a l e d

6D π

= A2

)6,0( π = 4/

24 /

mo but l ed aer

Á2

382,0 = A

747

= 382, 0/)001( 1 2,0 =

%%

obut led aerá led ejatnecroP

sorrohc sol rop atreibuc

8z 1

d 01 =

1R

mor rohc led duti gn o

Lz 1

48, 0 = z ; )5,3 ( )4 20, 0( 0 1

= aer á le d o rte

máiD

9x s1

mx s1

d / 2

8 5, 3 = R

ms oicifiro sol ed orte

máiD

on o bu t led l ar tnecd 2

])5,3( )85,3 ( )2([/ 03,0=

arelih adnuges al ed03,0

= sorrohc noc atreibucd 2

d( 210,0 =

2≈

d 5,0 1)

d 2210,0

= 0

1x

∆2

d 1 47,1 =

2R

msorrohc sol e d orte

máiD

x∆

2)5 ,3( )2 10, 0( 147 ,1

= arel ih adnuges al ed

x∆

2370,0

=

rotceyni nu ed olucláC .9-2 ordau

C

Mezcladores 81P

aso

Dat

osU

nida

dC

rite

rio

Sím

bolo

Res

ulta

do

11N

úmer

o de

orif

icio

s =

12N 2

N.°

A 2 = [

N2 π

( x

2)2 ] /4

Áre

a de

los

cho

rros

de

lam

2

A 2 =

[12

π (0

,073

)2 ]/

4 =

0,0

50se

gund

a hi

lera

12A T

= 0

,21

+ 0

,050

= 0

,26

Áre

a to

tal

cubi

erta

por

los

m2

chor

ros

13%

= [

0,26

(10

0)]/

0,2

8 =

92,

8Po

rcen

taje

del

áre

a de

l tu

bo%

cubi

erta

por

los

cho

rros

14q

= [

µ π

(N1 d

1 + N

2 d2)]

/4C

auda

l de

l co

agul

ante

m3 /s

q =

(5,

2) π

/4[1

2 (0

,024

)2 +

12

(0,0

12)2 ]

q =

0,0

35

15C

oefic

ient

e de

pér

dida

Kco

nsta

nte

h f = K

µ2 /

2g

;

h f =

(5,2

)2 /19,

6Pé

rdid

a de

car

gam

de c

arga

= 1

h f = 1

,38

16d 2 =

z 2 = 3

d2

R

= 3

(0,

012)

x 3

,5Lo

ngitu

d de

cho

rros

mz 2

= 0

,126

de la

seg

unda

hile

ra

17

=π

D2 /

4 (z

1 + z

2)Vo

lum

en d

e la

zon

a de

mez

cla

m3

=

π (0

,6)2

(0,

126

+ 0

,84)

/4

= 0

,27

18T

=

/(Q

+ q

) =

0,2

7/(0

,42

+ 0

,035

)Ti

empo

de

mez

cla

seg

T =

0,5

9

19

γ/µ

=

2.73

6G

=

γ/µ

q

.hf /∀

Gra

dien

te d

e ve

loci

dad

s-1

T =

10 °

CG

= 2

.736

0,03

5 x

1,38

/0,2

7G

= 1

.157

Uni

dad

Cua

dro 2

-9. C

álcu

lo d

e un

inye

ctor

(con

tinua

ción

)

∀

∀

∀∀


2.3 Unidades mecánicas (1)

La mezcla rápida meca-nizada es más eficiente cuandose emplean agitadores de tipoturbina.

El agitador de turbinaconsta de un disco o eje conimpulsores, los cuales impartenmovimiento al líquido a travésde la rotación del disco. Se cla-sifican por el tipo de movimien-to producido en turbinas de flujo axial y turbinas de flujo radial (figura 2-30) (1).

La potencia aplicada al agua por las turbinas depende del volumen y de laforma de la cámara de mezcla, así como de la velocidad de rotación y geometríadel impulsor. Estas variables están interrelacionadas, de tal modo que el diseño dela cámara de mezcla depende del tipo de turbina y viceversa.

Son adecuadas para cualquier tipo de agua, pero se recomiendanespecíficamente para aguas claras que coagulen por el mecanismo de captura obarrido.

2.3.1 Parámetros de diseño

• Gradiente de velocidad de 500 a 1.000 s-1.

• Tiempo de retención de 1 a 7 seg.

2.3.2 Criterios para el dimensionamiento

Rushton (7) encontró que la potencia debida a las fuerzas de inercia y a lasfuerzas de viscosidad, representadas por el número de Reynolds (NR), están rela-cionadas por las siguientes expresiones, de acuerdo con el régimen hidráulico:

• Laminar P = K / gc (µ n2 D3) (38)

• Turbulento P = K / gc ( σ n3 D5) (39)

Figura 2-30. Tipos de turbinas

(a) Axial (b) Radial

Mezcladores 83

Disco Plana Plana Inclinada

Curva 1 Curva 2 Curva 3 Curva 4

Núm

ero

de p

oten

cia

K

1000

500

200

100

50

20

10

5

2

11 101 102 103 104 105

1

2

34

D D D DWD = 1/5WD = 1/5WD = 1/5WD = 1/5

W W W W

Donde:

P = potencia necesaria (kgf/m/s)n = número de rotaciones por segundo (rps)D = diámetro del rotor (m)σ = densidad del agua (kg/m3)µ = viscosidad absoluta (kgf · s/m2)gc = factor de conversión de la ley de Newton (9,81 kg · m/kgf · s2)

La ecuación (38) es válida para valores del número de Reynolds inferioresa 10 y la ecuación (39) se aplica para los números de Reynolds superiores a10.000. Para valores intermedios del número de Reynolds, la potencia sería cal-culada por la fórmula (40):

P = [K / gc ] σ n3 D5 . (NR)P . (NF)q (40)

Donde:

NR es el número de Reynolds NR = n σ D2 / µ (41)

NF es el número de Froude NF = n2 D/g (42)

El coeficiente K depende de la geometría de la cámara y del equipo demezcla, y p y q, del régimen de flujo.

Figura 2-31. Relación entre el número de potencia y el númerode Reynolds para algunos tipos de turbinas (1)


Los valores de K para cuatro tipos básicos de turbina son dados en funcióndel número de Reynolds en el gráfico de la figura 2-31.

Para el régimen turbulento, que es la condición para la mezcla rápida, talesvalores sólo serán válidos si se han previsto dispositivos para la eliminación delvórtice. Esto puede hacerse por medio de cuatro cortinas, tal como se indica en lafigura 2-32, cada una tomando 10% del diámetro del tanque (DT).

La turbina de tipo 1 es la que proporciona, bajo idénticas condiciones derotación y diámetro, la mayor potencia útil (K = 5). La geometría del sistema decámara del equipo de mezcla se define por las siguientes relaciones (figura 2-32):

Figura 2-32. Relaciones geométricas de la cámara de mezcla (1)

Ejemplo: dimensionar un retromezclador y la cámara de mezcla para unaplanta que tratará 450 L/s.

gradiente de velocidad G = 1.000 s-1

tiempo de mezcla T = 1 s

2,7 < DT / D < 3,3

2,7 < H / D < 3,9

0,75 < h / D < 1,3

B / D = 1 / 4

W / D = 1 / 4

1 / DT = 1 / 10

B

W

DT

D

H

h

Mezcladores 85

Solución: los cálculos son bastante simples, como lo demuestra el cuadro2-10. Se inician fijando las relaciones geométricas entre la cámara y la turbina,como se ha indicado en la figura 2-32. Con el gradiente de velocidad prefijado, lasecuencia de cálculo es orientada hacia la determinación de la potencia aplicadaal agua y, finalmente, la velocidad de rotación.

Para un motor eléctrico de cuatro polos (aproximadamente, 1.750 rpm a 60Hz), será necesario un reductor de velocidad con un factor de reducción de1.750/420 ó de aproximadamente 4:1.

En la determinación de la potencia del motor eléctrico se debe tener encuenta el rendimiento del reductor de velocidad. A un rendimiento de 80%, lapotencia mínima del motor eléctrico deberá ser la siguiente:

Pm = 210 / 75 x 0,8 = 3,5 HP (43)

La selección deberá recaer en un motor de potencia nominal de 4 HP (po-tencia de placa).

La selección del reductor de velocidad es uno de los puntos críticos en eldimensionamiento mecánico del mezclador. Es el componente más importante ytambién el más caro. Los reductores deben ser especificados para un factor deservicio basado en la potencia nominal del motor eléctrico no inferior a 1,5. En elejemplo, el reductor sería, entonces, dimensionado para una potencia de 6 HP.

La adopción de periodos pequeños de retención inferiores a 2 segundos enlas cámaras de mezcla rápida mecanizadas exige que la corriente líquida incidadirectamente sobre las paletas del agitador. El coagulante deberá ser aplicado enel interior de la cámara, apuntando hacia la turbina del agitador.


osaP

sotaD

d adi nU

oiretirC

olo bm íS

odatluseR

dadinU

)05 4,0( l aduaC

1Q

m3

s /

Q

= x

T m

ar amá c al ed n e

muloV

3

al czem ed op

meiT

Ts

)1( 54,0 =

alczem ed

)od nu ge s nu(54,0

= V

2D

= aT

D/3

=D

T 80, 1

= 3

b /Va m

aramác al ed orte

máiD

D/H

= b5,3

= D

T ])54,0( )5,3/0,3([80,1

= 3/1

687,0 =

alczem ed

3D

= H

T29,0

= 687,0 )0,3/5,3( =

H ; a/ b m

aramác al ed da didnufor

Pa lc ze

m ed

= da dic olev ed e tneida rG

4G

s1 -

µ = P

G

2s/

m gkauga la adacilpa aicneto

P0

00.

1) 01( 76 1.1

= P4-

)000.1( )54,0( 2

15 ,2 5 = P

51 = ar utar ep

meT

5T

°CD

= D

T3 /687, 0

= D ; 3/

man ibrut al ed ort e

m áiD

62,0 =

D= da disocsi v e d .feo

CÌ

m/s gk2

)01( 761 ,14-

6560,0

= 4/62,0 = B 4 /

D = B

sal ed senoisnemi

D4 /

D =

Wm

satelap 5 60,0

= 4 /62 ,0 =

W

ed oremún o e tneicifeo

C7

= n

K3

D . ρ . K /P g

5

5 = aicnetop

)62,0( )000.1( 5 /)15,25( 1 8,9[ = n

5]

3/1spr

nóicator ed dadicoleV

: dad evarg al e d nóica relecA

Gs /

m2

ó 4,4 = n

mpr

18,

9462

= n= aug a l ed o cif íc epse ose

PP

m/gk3

00

0.1

laidar anibrut ed ocinácem rodalcze

m nu ed otneimanoisne

miD .01-2 ordau

C)

1(

Mezcladores 87

REFERENCIAS

(1) Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad delAgua para Consumo Humano. Manual V: Diseño. Tomo I. Criterios dediseño para la dosificación y mezcla rápida. Lima, CEPIS/OPS, 1992.

(2) Richter, Carlos. Submódulo C.19.3.1. Mezcla rápida. Módulo C.19.3. Dise-ño. Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Con-sumo Humano.

(3) Amirtharajah, A. “Initial Mixing”. En Coagulation and Filtration: Backto the Basics. AWWA Seminar Proceedings, American Water WorksAssociation, Dallas, 10-14 de junio, 1984.

(4) Vargas, Lidia. Fotos de archivo personal. Lima, CEPIS.

(5) Stenquist, R. y R. M. Kaufman. Initial Mixing in Coagulation Processes.Berkeley, Universidad de California, 1972.

(6) Pratte, B. y D. Baines. “Profiles of the Round Turbulent Jet in a CrossFlow”. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the AmericanSociety of Civil Engineers. 1967.

(7) Rushton, J. H. Mixing of Liquids in Chemical Processing. Ind. Eng. Chem.1952.

(8) Di Bernardo, Luiz. Información expuesta en el Curso de Diseño de Mérida,Yucatán, 1985 (basada en una investigación efectuada en la Escuela deSan Carlos).

CAPÍTULO 3

FLOCULADORES

Floculadores 91

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada unaagitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimientode los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salgade la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origenhidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades deagitación hidráulica.

Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, lasunidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la detipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.

2. PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DEDISEÑO

Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varíanentre 70 y 20 s-1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente nodebe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mez-clador y el floculador (1).

• El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decrecien-te, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2).

• El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo deltipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, dondelas aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo defloculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. Encambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15°C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención igualeso superiores a 20 minutos (3).


• Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño,ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4).

• El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarselos canales y las interconexiones largas.

• El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad delagua (1,4). Por lo tanto, estos parámetros deben seleccionarse simulandoel proceso en el laboratorio con una muestra del agua que se va a tratar(ver el procedimiento en Tratamiento de agua para consumo humano.Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11).

• Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a quesolo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiablesen su operación.

• Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se consideraa los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.

3. UNIDADES DE PANTALLAS

Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos losfloculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientosque tienen, confinan casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real esprácticamente igual al tiempo teórico (4) cuando la unidad ha sido bien proyecta-da. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costode producción es muy bajo.

Debido a su mayor eficiencia y menor costo, en el Japón se han reemplaza-do los floculadores mecánicos por hidráulicos y actualmente solo se diseñan uni-dades de este tipo (5).

3.1 Unidades de flujo horizontal

3.1.1 Parámetros y recomendaciones de diseño

• Recomendables para caudales menores de 50 litros por segundo.

Floculadores 93

• Se proyectará un mínimo de dos unidades, salvo que la planta tenga alterna-tiva para filtración directa, porque en ese caso, podrá darse mantenimientoal floculador durante los meses en que la planta opera con filtración directa.

• En este tipo de unidades predomina el flujo de pistón, por lo que se consigueun buen ajuste del tiempo de retención.

• Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra devidrio, madera, plástico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, dis-ponible en el me-dio y que no cons-tituya un riesgo decontaminación.De esta manera,se le da mayor fle-xibilidad a la uni-dad y se reduce elárea construida,disminuyendo porconsiguiente elcosto de construc-ción (figura 3-1).

• Entre los materia-les indicados paralas pantallas, losque ofrecen ma-yor confiabilidadson la fibra de vidrio, el plástico, los tabiques de concreto prefabricados y lamadera. En cada caso, la elección del material dependerá del tamaño de laplanta, del costo del material y de los recursos disponibles. Si se emplearamadera, se pueden disponer tabiques de madera machihembrada, tratadacon barniz marino aplicado en varias capas, cada una en sentido opuesto ala anterior, de tal manera de formar una gruesa capa impermeabilizante.También puede emplearse madera revestida con una capa de fibra de vi-drio. La unidad puede tener una profundidad de 1,00 a 2,00 metros, depen-diendo del material utilizado en las pantallas.

Figura 3-1. Floculador de pantallas de flujohorizontal (6)


• Se pueden utilizar tambiénpantallas de asbesto-ce-mento, siempre y cuando nose tengan aguas ácidas oagresivas. Las aguas reco-mendables para utilizar estetipo de solución deben te-ner las siguientes caracte-rísticas:

Ia ≤ 10CO2 ≤ 3,5 mg/LSulfatos ≤ 1.500 mg/LpH ≥ 6

Donde:

Ia es el índice de agresividad, que es igual a:

Ia = pH + log 10 (A x D)A = alcalinidad total como CaCO3 en mg/L yD = dureza como CaCO3 en mg/L

En zonas sísmicas no serecomienda el empleo deplanchas de asbesto-cemento.Durante el terremoto queocurrió en el sur del Perú en el2001 se quebraron todas laspantallas de la unidad de flujohorizontal de la figura 3-2. En elprimer plano de la figura 3-3 sepueden ver los tanques defloculación sin pantallas.

En la figura 3-4 sepuede observar cómo quedaronlas pantallas del floculador y deldecantador laminar, que también

Figura 3-3. Floculador de pantallasdespués del sismo (7)

Figura 3-2. Floculador de pantallasde flujo horizontal (7)

Floculadores 95

eran de asbesto-cemento.Principalmente a partir de estaexperiencia, de gran impactoeconómico, no recomendamosutilizar el asbesto-cemento paraeste fin en zonas de alto riesgosísmico y de bajo nivel de ope-ración, porque es un material muyquebradizo si no se manipulaadecuadamente durante laslabores de mantenimiento. Losoperadores acostumbran caminarsobre las pantallas. En la figura

3-5 se pueden ver las maderas que colocan para caminar encima de ellas.

• Con pantallas de asbesto-cemento, se recomienda diseñar unidades demáximo un metro de profundidad útil, colocando las pantallas con la dimensiónde 1,20 metros en el sentido vertical.

• Si se usan pantallas dea s b e s t o - c e m e n t oonduladas, se consiguedisminuir un poco ladiferencia de gra-dientes de velocidadentre los canales y lasvueltas (figura 3-6). Eneste caso, se consideraun coeficiente defricción (n) de 0,03 paracalcular la pérdida decarga en los canales.Cuando se utilicenplacas de asbesto-cemento planas o de madera, los coeficientes deben ser0,013 y 0,012, respectivamente.

• El coeficiente (K) de pérdida de carga en las vueltas varía entre 1,5 y 3,0Se recomienda usar un coeficiente de 2 para este fin (8).

Figura 3-4. Pantallas de asbesto-cemento rotas (7)

Figura 3-5. Floculador con pantallasde asbesto-cemento planas (7)


• El espaciamiento entre elextremo de la pantalla y lapared del tanque —es decir, elpaso de un canal a otro— sedeberá hacer igual a 1,5 vecesel espaciamiento entre pan-tallas (9).

• Dependiendo del tamaño de launidad, deberá considerarseun punto de desagüe por unidado uno por cada tramo.


• En las unidades hidráulicas el gradiente de velocidad es una función de lapérdida de carga:

(1)

Donde:

γ/µ = relación que depende de la temperatura del aguahf = pérdida de carga total en mT = tiempo de retención en s

• La pérdida de carga se produce a lo largo de los canales (h1) yprincipalmente en las vueltas (h2), por lo que la pérdida de carga total en eltramo hf = h1 + h2.

h1 = [n v / r2/3 ] 2 . I (2)

n = coeficiente de pérdida de carga de Manning. Con planchas corrugadas(n = 0,03),

v = velocidad en los canalesg = aceleración de la gravedad (m/s2)r = radio hidráulico del canall = longitud total en el tramo (m)

Figura 3-6. Floculador con pantallasde asbesto-cemento onduladas (7)

hf/T.=G y/ µ

Floculadores 97

h2 = K ( v2 / 2g ). N (3)

K = 2, coeficiente depérdida de cargaen las curvas.

N = número de vueltaso pasos entre ca-nales.

3.1.3 Aplicación

Se requiere proyectar unfloculador de pantallas para uncaudal de 30 L/g y se haseleccionado la unidad de flujohorizontal por tratarse de uncaudal pequeño. Se simuló el proceso en el laboratorio para determinar los gradientesde velocidad y tiempos de retención óptimos y se obtuvieron los resultados que seindican en el gráfico de la figura 3-8.

Los resultados del estudio indican que se obtendría la mayor eficiencia conlos gradientes de velocidad y los tiempos indicados en el cuadro 3-1.

Figura 3-7. Comportamiento de la pérdidade carga

Figura 3-8. Correlación de G y T

PerfilPlanta

h2

hf

h1

H

I2I1

I1 I1

I2

Correlación de G y T

y = -20,193Ln(x) + 108,14

R2 = 0,9047

10

100

1 10 100

Tiempo (min)

G(s

-1)


Tramos Gradientes de velocidad(s-1)

Tiempos de retención(min.)

Cuadro 3-1. Parámetros óptimos de floculación (10)

1 80 5

2 60 10

3 50 15

4 45 20

En el cuadro 3-2 se muestra un ejemplo de cálculo para un tramo delfloculador de pantallas de flujo horizontal con pantallas de asbesto-cementoonduladas. El proceso se repite para los tramos siguientes.

En el ejemplo se eligió un gradiente bajo para el último tramo (25 s-1) paraoptimizar la formación del flóculo.

Se eligió el último tramo de la unidad para desarrollar el ejemplo de cálculo,a fin de indicar también cómo se chequea que las pantallas se crucen en toda launidad por lo menos 1/3 del ancho. De acuerdo con el cálculo efectuado, el anchode las vueltas en este tramo es de 0,54 metros y el ancho total del tanque, de 3metros. Teniendo en cuenta dos anchos de vuelta correspondientes a cada extremodel canal, las pantallas traslaparían en una longitud de 3 – (0,54 x 2) = 1,92 m. Porlo tanto, el dimensionamiento es correcto.

También se puede apreciar que se han modificado los tiempos de retenciónen cada tramo, de tal modo que las longitudes de todos los tramos sean iguales a4,30 metros. Esto permitirá construir cuatro tanques iguales de 4,30 metros delargo, 3 metros de ancho y un metro de profundidad total.

Floculadores 99

Cua

dro

3-2.

Dim

ensio

nam

ient

o de

un

flocu

lado

r hid

rául

ico

de fl

ujo

hori

zont

al (1

0)

1C

auda

l Q

= 0

,030

m3 /s

L 4 = V

4 x T

4 x 6

0L 4 =

(0,

12)

(4,

97)

(60

)Lo

ngitu

d de

can

ales

mde

l tr

amo

4Ti

empo

de

rete

nció

n tr

amo

4m

inL 4

=35

,8T 4

= 4,

97

Velo

cida

d en

el

tram

o 4

m/s

V 4 =

0,12

2A

= Q

/ V4

A =

0

,030

/ 0

,12

Secc

ión

de c

anal

es d

elm

2

tram

o 4

A 4 =

0,2

5

3A

ltura

de

agua

en

la u

nida

dm

a 4 = A

4 / H

a 4 =

0,

25 /

0,7

0A

ncho

de

cana

les

del

mH

= 0

,70

tram

o 4

a 4 =

0,3

6

4d 4

= 1

,5 a

4d 4

= 1

,5 x

0,3

6A

ncho

de

vuel

tas

del

mtr

amo

4d 4

= 0

,54

5A

ncho

útil

de

la l

ámin

a de

mB

= 3

b +

d4

B =

3 (

0,82

5) +

0,5

4A

ncho

del

flo

cula

dor

mas

best

o-ce

men

to c

orru

gada

B =

3,0

b =

0,82

5

6N

4 = l 1 /

BN

4 =

35,

8 / 3

,0N

úmer

o de

can

ales

en

un

idad

esel

tra

mo

4N

1 = 1

2

7Es

peso

r de

las

lám

inas

de

mL 4 =

N4 a

4 +L 4

= 1

2 x

0,36

+ (

12-1

) 0,

006

Long

itud

del

mas

best

o-ce

men

to c

orru

gada

s(N

4 - 1

) e

tram

o 4

e =

0,00

6L 4

= 4

,4

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad


uadr

o 3-

2. D

imen

sion

amie

nto

de u

n fl

ocul

ador

hid

rául

ico

de fl

ujo

hori

zont

al(c

onti

nuac

ión)

8

Coe

fici

ente

de

pérd

ida

de c

arga

unid

ades

h 1 =K

V 12 (N

-1)

/ 2g

h 1 =

(2)

(0,

12)2

(12-

1) /

19,

6P

érdi

da d

e ca

rga

enm

en l

as v

uelt

asla

s vu

elta

s de

l cu

arto

K =

2tr

amo

h 1 =

0,0

17

9

Ace

lera

ción

de

la g

rave

dad

m/s

2

g =

9,8

10

P 1 = 2

H +

a1

P 1 =

2 (

0,70

) +

0,3

6P

erím

etro

moj

ado

dem

las

secc

ione

s de

l tr

amo

4 P

1 =

1,7

57

11

Coe

fici

ente

de

rugo

sida

dun

idad

esh 2 =

[N

V 12/r

2/3/3

].L 1

h 2 =

[0,

03 (

0,12

) 2 /

(0,1

42)2/

3]

.P

érdi

da d

e ca

rga

en l

osm

n =

0,0

3(3

5,8)

cana

les

del

tram

o 4

h 2 =

0,0

012

12

hf1 =

h1 +

h2

hf1

= 0

,017

+ 0

,001

2P

érdi

da

de c

arga

mto

tal

en e

l cu

arto

tram

ohf

1 =

0,0

19

13

T =

20

°CG

=

(ã /

ì )

^ 0,

5G

1 =

3.1

15 (

0,01

9/ (

4,95

xG

radi

ente

de

velo

cida

ds-1

(hf/T

)0,5

= 3

.115

(hf /

T) ^

0,5

60))

^ 0

,5en

el

tram

o 1

G1 =

25

Da

tos

Cri

teri

os

Cá

lcu

los

Un

ida

dR

esu

lta

do

sU

nid

ad

Pa

so

Floculadores 101

3.1.4 Recomendaciones para el proyecto y problemas de diseño más comunes

A continuación presentaremos algunas condiciones de diseño muyimportantes para el correcto funcionamiento de una unidad de flujo horizontal yalgunos de los errores de diseño más comúnmente identificados:

• Considerar, en el fondo de la unidad, una pendiente igual a la pérdida decarga obtenida en el cálculo, de tal modo que la altura de agua permanezcaconstante y, por lo tanto, el gradiente de velocidad en todo el tramo tambiénse mantenga así.

La unidad de la figura 3-9fue diseñada con el fondoplano. La sección inicial esmucho mayor que la final y,como el caudal es constante,la velocidad es menor alinicio y mayor al final. Alevaluar esta unidad, seencontró que los gradientesde velocidad estaban alrevés, empezaban bajos yterminaban altos.

Para mejorar el comportamiento de la unidad, se requeriría darle pendienteen el fondo, para lo cual seríanecesario retirar todas las vigas quesujetan las pantallas y los tabiquesde concreto prefabricados.

La unidad de la figura 3-10tiene una profundidad inicial de 1,70metros y una final de 2,40 metros.Fue diseñada con gradientes develocidad variables entre 27 y 2,5 s-1

y un tiempo de retención total de39 minutos. Si calculamos la pérdidade carga correspondiente a lavelocidad en las secciones entre las


Figura 3-10. Floculador de pantallas de flujo horizontal (7)


pantallas, esta sería apenas de 3,9 centímetros. Como el desnivel del fondode la unidad es de 0,70 metros, el caudal se escurre totalmente hacia elfinal. La estructura de esta unidad es toda de concreto con pantallas rígidas;para mejorar su comportamiento, será necesario demolerla.

• Al elegir el ancho de la unidad, debetenerse en cuenta el ancho de lavuelta en el último tramo, de talmodo que las pantallas se crucenpor lo menos en un tercio de sulongitud. En la unidad de la figura3-11 no se tuvo en cuenta estecriterio y el flujo pasa totalmente porla parte media y forma un rápidocortocircuito, mientras que entre laspantallas se producen vórtices yzonas muertas.

• El sistema que se adopte para lasujeción de las pantallas, sobre todocuando se trata de pantallas deasbesto-cemento onduladas, es muy importante para el buen funcionamientode la unidad. El sistema de la figura 3-12 no es recomendable. Como sepuede apreciar, no se logra mantener el paralelismo de las pantallas y elagua termina pasando de un canal a otro.

El sistema de sujeciónpara pantallas onduladas de lafigura 3-13 es la solución másconveniente desde el punto devista técnico y económico.Consiste en colocar un listón demadera en el borde superior decada pantalla, tomando tambiénla longitud de la vuelta parasujetarlo en las paredes late-rales del tanque. Esta acciónmantiene las pantallas establesy alineadas. Estos primeros



Floculadores 103

listones se sujetan con otrosperpendiculares a ellos mediantepernos, y así se mantiene el anchoconstante de los canales.

En la parte inferior laspantallas se sujetan mediante unlistón de madera con ranuras, quedebe instalarse semiempotrado enel fondo de la unidad.

3.2 Unidades de flujo vertical

En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticalesformados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas agrandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades,ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventajaimportante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a losdecantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejorproporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantasgrandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas lasdemás unidades juntas.

3.2.1 Parámetros y recomendaciones de diseño

• Las unidades de flujo vertical son una solución recomendable para plantasde capacidad mayor de 50 litros por segundo.

• Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan unárea menor que las unidades de flujo horizontal.

• Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, demadera o de asbesto-cemento. En la figura 3-14 se puede ver una unidadcon pantallas de dry wall; en la figura 3-15, con madera; y en la 3-16, deasbesto-cemento gruesas.

• Las restricciones para el uso de pantallas de asbesto-cemento son las mismasque se indicaron anteriormente.



Con este tipo de tabiques, se recomienda usar una altura máxima de aguade 2 a 3 metros. Pueden proyectarse alturas mayores, traslapando pantallas yempernándolas. Se debe tener especial cuidado durante el llenado de este tipo deunidades, para evitar roturas.

• La sección de cada paso se calculará para una velocidad igual a los 2/3 dela velocidad en los canales.

• El gradiente de velocidad en los canales no deberá ser menor de 20 s-1. Enplantas grandes se pueden colocar mallas diseñadas con el gradiente develocidad apropiado en los orificios de paso.

• Para evitar la acumulación delodos en el fondo y facilitar elvaciado del tanque, se dejaráuna abertura equivalente al5% del área horizontal decada compartimiento en labase de cada tabique que llegahasta el fondo.

• Estructuralmente, son másconfiables los tabiques deconcreto prefabricados y fibrade madera machihembrada de1,5" a 2" de espesor; pueden

Figura 3-14. Floculador de flujovertical con tabiques de dry wall (7)

Figura 3-15. Floculador de flujovertical con tabiques de madera (7)

Figura 3-16. Floculador de flujo verticalcon pantallas de asbesto-cemento (7)

Floculadores 105

adoptarse, en este caso, alturas de agua de 4 a 5 metros. Con este tipo desolución se reduce apreciablemente el área de la unidad, lo cual esespecialmente ventajoso en plantas grandes.

• Al igual que en las unidades de flujo horizontal, debe tenerse especial cuidadoen la adopción del ancho de la unidad para que en el diseño de los tramoscon bajos gradientes de velocidad, las pantallas se entrecrucen por lo menosen 1/3 de la altura útil. Así se evitará la formación de espacios muertos ycortocircuitos.


• La selección del número aproximado (m) de compartimentos por tramo ocanales de gradiente constante se puede determinar utilizando el criterio deRichter (5).

(4)

b = ancho del tramo o canalL = longitud del tramot = tiempo de retención del tramo

• La pérdida de carga en las vueltas (h2) se calcula mediante la siguienteexpresión:

h2 = [(m + 1)V

12 + mV

22] / 2g (5)

V1

= velocidad en los canalesV

2= velocidad en los pasajes u orificios de paso de un

compartimiento a otro

• La velocidad en los pasajes (V2):

V2 = 2/3 V

1(6)

• El gradiente de velocidad en los canales (G1) se comprueba mediante lasiguiente expresión:

tQ)(bLG/0,045=m .2

3


Planta

Corte A-A

A

b

+ a +

Hh2 e2

e1

A

e2e2

h2

G1 = γ /µ . 1/2g . f / 4RH . V11,5 (7)

f = coeficiente de Darcy Weissbach, que varía entre 0,01 y 0,03. Serecomienda utilizar 0,02.

RH = A/P, radio hidráulico del canal.

En el cuadro 3-3 se desarrolla un ejemplo de dimensionamiento de unfloculador de 6 compartimientos.

Figura 3-17. Floculador de pantallas de flujo vertical (12)

3.2.3. Aplicación

Se requiere proyectar un floculador de pantallas para un caudal de 250litros por segundo y se ha seleccionado una unidad de flujo vertical de 4,50 metrosde profundidad por tratarse deuna planta grande. Se simuló elproceso en el laboratorio paradeterminar los gradientes develocidad y los tiempos deretención óptimos. Se obtuvie-ron los resultados indicados enel gráfico de la figura 3-18. Losresultados del estudio indicanque se obtendría la mayoreficiencia con los gradientes develocidad y los tiemposindicados en el cuadro 3-3.

Figura 3-18. Correlación de G y T

Correlación de G y T

y = -20,193Ln(x) + 108,14 R 2 = 0,9047

10

100

1 10 100 Tiempo (min)

G(s

-1)

Floculadores 107

Tramos Gradientes de velocidad(s-1)

Tiempos de retención(min.)

1 90 2,342 80 4,903 70 7,804 65 11,105 55 15,036 50 20,10

Cuadro 3-3. Parámetros óptimos de floculación (10)

Como los gradientes de velocidad en los útlimos tramos (5 y 6) son muysimilares y la formación del flóculo optimiza con un gradiente de velocidad bajo alfinal, se tomó para el sexto tramo un valor de 28 s-1.

Aplicando el procedimiento del cuadro 3-4, se calculó una unidad de seistramos o canales con gradientes de velocidad decrecientes entre 87 y 28 s-1, y seobtuvieron los resultados del cuadro 3-5. El cálculo del cuadro 3-4 corresponde aldimensionamiento y comprobación de un solo tramo, el último de la unidad. Esteproceso debe aplicarse reiteradamente para cada tramo, empleando los parámetroscorrespondientes (cuadro 3-3).

Una vez calculado el último tramo, debemos comprobar si los pasos secruzan. Cada paso tiene una altura de 0,92 metros y la profundidad de la unidad esde 4,50 metros. La longitud de traslape es de 4,50 – (0,92 *2 ) = 2,66 m.

Si tuviéramos, en cambio, un cálculo del último tramo en que los pasostienen 1,50 metros de alto y la profundidad total de la unidad es de 2,50 metros, laspantallas no llegarían a cruzarse. La superior estaría a 1,50 del fondo y la inferiora 1,50 metros de la superficie del agua, con lo que quedaría un espacio libre de0,50 metros por el que debería pasar todo el caudal formando un cortocircuito.Los espacios entre las pantallas se constituirían en espacios muertos en los que lamasa de agua quedaría retenida.


Cua

dro 3

-4. D

imen

siona

mie

nto d

e un

flocu

lado

r de p

anta

llas d

e flu

jo ve

rtic

al (1

0)

1C

auda

lQ

= 0

,25

m3 /s

=

60

Q. T

.

= 6

0 (0

,25)

20

Volu

men

tot

al d

em

3

=

300

la u

nida

dTi

empo

tot

al d

e fl

o-T

= 20

min

cula

ción

2Lo

ngitu

d de

la u

nida

dL

= 6,

5m

B =

/

H .

LB

= 3

00/6

,5(4

,5)

Anc

ho t

otal

de

lam

B =

10,

30un

idad

Prof

undi

dad

del

flocu

-H

= 4

,5m

t = H

b L

/ Q

. 60

t =

[4,

5(2,

60)(

6,5)

] /

[0,2

50(6

0)]

Tiem

po d

e re

tenc

ión

min

lado

rt

= 5

,07

del

prim

er c

anal

3A

ncho

del

can

alb 1

= 2,

60m

4G

radi

ente

de

velo

cida

dG

= 2

5s-1

m =

0,0

45 [

(b.L

.G /

m =

(0,

045)

{ [

(2,6

0)(6

,5)(

25)

/N

úmer

o de

com

part

i-N

.°en

el

últim

o tr

amo

Q) 2 .

t] 1/

30,

25]

2 .

5,07

} 1/3

mie

ntos

ent

rem

≈ 1

0pa

ntal

las

5Es

peso

r de

las

pan

talla

se

= 0,

038

ma

= [

L-

e (m

-1)]

/ m

a =

[6,

5-(9

) (0

,038

) ]

/ 10

Esp

acia

mie

nto

entr

em

e =

1,5

pulg

ada

a =

0,6

2pa

ntal

las

6V 1 =

Q /

(a x

b)

V 1 =

0,2

5 /

(0,6

2 x

2,60

)Ve

loci

dad

en l

osm

/sV 1

= 0

,16

cana

les

vert

ical

es

7V 2 =

2/3

V1

V 2 =

2/3

(0,

16)

Velo

cida

d en

los

pas

osm

/sV 2

= 0

,104

8P 2 =

(Q/ V

2) / b 2

P 2 =

(0,

25 /

0,1

04)

/ 2,

60 =

0,9

2A

ltura

del

pas

om

9l =

60

V 1 tl

= 6

0 (0

,16)

(5,

07)

Exte

nsió

n to

tal

dem

l =

48,

67ca

nale

s de

l úl

timo

tram

o

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

Sím

bolo

∀∀ ∀

∀

Cua

dro

3-4.

Dim

ensio

nam

ient

o de

un

flocu

lado

r de p

anta

llas d

e flu

jo v

ertic

al (1

0) (c

ontin

uaci

ón)

10R H

= a

. b

/ 2 (

a +

b)

R H =

(0,6

2) (

2,60

) /

2 (0

,62

+ 2

,60)

Rad

io h

idrá

ulic

o de

lm

R H

=

0,25

com

part

imie

nto

entr

epa

ntal

las

11C

oefi

cien

te d

e la

n =

0,0

13co

nsta

nte

h 1 = [

nV 1 /

h 1 =

[[0

,013

(0,

16)]

/ [

0,25

]2/3 ]

2Pé

rdid

a de

car

gam

fórm

ula

de M

anni

ngR H

2/3 ]

2 x

lx

47,5

cont

inua

en

los

h 1 =

0,0

0128

cana

les

12h 2 =

[ (m

+1)

V 12h 2

=

[ 11

(0,

16)2

+ 1

0 (0

,104

)2 ]

/Pé

rdid

a de

car

ga e

nm

+ m

V 22 ]

/ 2g

19,6

las

vuel

tas

h 2 =

0,0

198

13hf

= h

1 + h

2hf

= 0

,001

28 +

0,0

198

Pérd

ida

de c

arga

mhf

= 0

,021

tota

l en

el

últim

otr

amo

14V

= H

bL -

e (

m-1

)V

= (

4,50

) (2

,60)

(6,5

0) -

0,0

38Vo

lum

en d

el t

ram

om

3

b (H

- P

2)(1

0 -

1) x

2,6

0 (4

,5 -

0,9

2)V

= 7

2,87

15

γ/µ

=

3.2

67G

1 =

γ/µ

. h

f Q/

G1

= 3

267.

[0,2

5 x

0,02

1/72

,87]

0,5

Com

prob

ació

n de

ls-1

T =

25

°CG

1 = 2

8gr

adie

nte

deve

loci

dad

tota

l en

el

prim

er c

anal

o t

ram

o

16G

2 =

γ/µ

.

1/2g

.G

2 =

5,5

Com

prob

ació

n de

ls-1

grad

ient

e de

velo

cida

d en

el

cana

l ve

rtic

al

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Sím

bolo

Res

ulta

dos

Uni

dad

∀

1,5

hV.

f/4R


1 1,20 0,62 10 0,92 87 2,34 0,102 1,30 0,62 10 0,92 77 2,54 0,083 1,50 0,62 10 0,92 62 2,93 0,064 1,70 0,62 10 0,92 51 3,32 0,055 2,00 0,62 10 0,92 41 3,90 0,046 2,60 0,62 10 0,92 28 5,07 0,02

Total 20,10 0,35

Tramo Ancho detramo (m)

Separaciónde pantallas

(m)

N.°°°°° de com-partimien-

tos

Altura depasos (m)

G( s-1 )

T(min)

Pérdidasde carga

(m)

Cuadro 3-5. Dimensionamiento de un floculador de flujo verticalde 250 L/s de capacidad (10)

Analizando los resultados del cuadro 3-5, se puede observar que todos lostramos tienen el mismo número de compartimientos. Esto se ha conseguido variandoel ancho de los tramos. La gran ventaja de este diseño es que facilita la construcción,debido a que todos los espaciamientos entre pantallas y alturas de los pasos, entodos los tramos, serán iguales, lo que también permitirá evitar errores.

3.2.4 Recomendaciones de diseño y defectos más comunes

• Si se están proyectando dos unidades, será necesario colocar un partidorpara asegurar que cada unidad reciba la mitad del caudal. Si son más dedos, se proyectará un canalde distribución uniforme.

• Las pantallas deben tener ungrosor adecuado de acuerdocon la profundidad de launidad. Para unidades de 4a 5 metros de profundidad,serán necesarias pantallas de1,5 a 2 pulgadas de espesor.

• Las pantallas deben estarsujetas a las paredes late-rales mediante ranuras,

Figura 3-19. Floculador de flujo verticalcon pantallas de un centímetro de

espesor (7)

Floculadores 111

perfiles, etcétera, de talmanera que el flujo deagua no pase a travésde las uniones entre laspantallas y las paredes,porque estarían contri-buyendo a la formaciónde cortocircuitos (figura3-20).

• Las ranuras para pasarlas pantallas solo debencomprender el trecho en el que estas se colocarán. El espacio quecorresponde al paso del agua por debajo de las pantallas no debe tenerranura, para evitar que con el tiempo las pantallas se desplacen y la alturade los pasos varíe, lo que incrementaría la pérdida de carga en el tramo y,por consiguiente, el gradiente de velocidad.

• Los efectos de este problema se pueden llegar a apreciar a simple vista,porque con el tiempo el agua empieza a pasar por encima de las placasdebido al incremento de la pérdida de carga.

• Este fenómeno se puedevisualizar en los floculadoresde la figura 3-21. Ello ocurreen los tramos que fueronmodificados, porque las placasno se cruzaban. Al efectuarselas nuevas ranuras, se hicieronen toda la altura de la unidad,lo que dio lugar a que con eltiempo, las placas, con supropio peso, vencieran lossoportes que habían sidocolocados y se desplazaran.Ello disminuyó la altura de lospasos.

Figura 3-20. Floculador de flujo vertical (7)

Figura 3-21. Floculadores depantallas de flujo vertical (7)


3.2.5 Ventajas y desventajas de las unidades de pantallas

Se pueden señalar las siguientes ventajas:

• De acuerdo con evaluaciones realizadas en varias plantas de América Latina,los cortocircuitos y espacios muertos que se producen son mínimos, de talmodo que el tiempo de retención teórico es similar al tiempo real obtenidoen la unidad.

• Carecen de elementos móviles o mecánicos, de tal modo que la operacióny el mantenimiento son muy simples y poco costosos; se reducen básicamentea limpieza y pintura.

• Son muy confiables, garantizan un funcionamiento continuo.

• Se economiza energía eléctrica.

• Se autorregulan cuando se producen variaciones de caudal, y el número deCamp (N

c) se mantiene más o menos constante. Al bajar el caudal, disminuye

el gradiente de velocidad y se incrementa el tiempo de retención; cuandosube el caudal, el efecto es el inverso. Dependiendo de cuánto se incrementeel caudal de operación, podemos estar generando gradientes de velocidadtan altos que rompan el flóculo.

• Si se selecciona apropiadamente el rango de gradiente de velocidad, sepuede explotar esta propiedad en el diseño de plantas en las que se puedenesperar pequeñas variaciones diarias de caudal, teniendo en cuenta quevariaciones de 50% producen variaciones de gradientes de velocidad deaproximadamente 20%.

Entre las desventajas se pueden indicar las siguientes:

• La pérdida de carga es mayor en las vueltas que en los canales y el gradientede velocidad varía en forma similar. Esta desventaja se atenúa con laspantallas onduladas.

• Producen pérdidas de carga más o menos altas.

Floculadores 113

• Es común escuchar a los operadores argumentar que la limpieza de estasunidades es difícil, pero esto sucede cuando no se han previsto en el diseñolas facilidades para esta operación, colocando aberturas en la base de laspantallas (unidades de flujo vertical) y compuertas o válvulas de fondoconvenientemente ubicadas para desaguar la unidad.

4. FLOCULADORES DEL TIPO ALABAMA O COX

En estas unidades el agua hace un movimiento ascendente-descendentedentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidaddel agua constante, para que este comportamiento se dé. La velocidad ascensionalserá constante mientras el caudal sea constante; por esta razón, estas unidadesson muy vulnerables a las variaciones de caudal. Si el caudal de operación baja, elagua ya no hace su recorrido ascensional y solamente pasará por el fondo de launidad de una boquilla a la otra, lo que generará un cortocircuito en esta zona y ungran espacio muerto en toda la parte superior.

El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos depaso (niples, codos, boquillas, etcétera), los cuales están localizados en el fondo dela unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremo (figura 3-22).

a) Parámetros y recomendaciones de diseño

• La profundidad total de la unidad debe ser de 3 a 3,50 metros, paraque la altura del agua sobre los orificios sea por lo menos del orden de2,40 metros.

• La relación ancho/largo de cada compartimiento debe ser de 1 a 1,33.• La sección de cada compartimiento se diseñará con una tasa de 0,45

m2 por cada 1.000 m3/d.• Los criterios para diseñar los puntos de paso entre los compartimientos

son los siguientes:

a) La relación de la longitud del niple con respecto a su diámetrodebe ser de 1 a 5.

b) Velocidad en las boquillas variable entre 0,25 y 0,75 m/s.c) Tasa de diseño para determinar la sección de las boquillas de

0,025 m2 por cada 1.000 m3/d.


• El diseño de estas unidades debe efectuarse muy cuidadosamente paraevitar la formación de cortocircuitos y espacios muertos.

• El nivel de recursos humanos disponible para la operación es un criterioimportante en la selección de estas unidades, porque, como se indicóanteriormente, es necesario que la unidad se opere a caudal constante. Lasdisminuciones de caudal anulan el funcionamiento de estas unidades aldecrecer la velocidad. En esta situación, el flujo tiende a pasar directamenteentre los puntos de paso y prácticamente todo el volumen del floculador seconvierte en un enorme espacio muerto.

• Los criterios expuestos no tienen una base experimental conocida, por loque se recomendaría investigar en forma preliminar la velocidad óptima dediseño antes de proyectar este tipo de unidad.

Figura 3-22. Floculadores del tipo Cox y Alabama (11, 12)

Floculador tipo Cox

Planta

Floculador Alabama

A

Corte A-A

C

H

A1

Floculadores 115

2,20 2,20

2,20

0,50 0,50

2,25

1,30

0,65

N.A

1,70

0.60

A

Corte A-A

0,30

5. FLOCULADORES DE MEDIOS POROSOS

En esta unidad el agua flocula al pasar a través de los espacios o poros deun material granulado, los cuales desempeñan la función de pequeñoscompartimientos.

5.1 Parámetros y recomendaciones de diseño

• Es una unidadhidráulica con unnúmero casi infi-nito de cámaras ocompartimientos, locual explica sugran eficiencia, deacuerdo con lateoría de Harris yKaufman (12).

• Como materialgranular, puedenutilizarse piedras,bolitas de plástico,residuos de lasfábricas de plástico,segmentos de tu-bos o cualquier otrotipo de materialsimilar no putresci-ble ni contami-nante.

• Las investigacionesrealizadas hasta elmomento solo per-miten diseñar estosfloculadores conpiedra de 1/2" a3/4" (diámetro Figura 3-23. Floculador de medio poroso (16)


medio = 15,9 mm). Investigaciones asesoradas por el CEPIS/OPS conpiedras de tamaño mayor indican que no se puede lograr todo el rango degradientes de velocidad para floculación variando el diámetro equivalentede las piedras u otro material similar.

• A partir del estado actual del conocimiento, se recomienda diseñar estaunidad con flujo ascendente y forma tronco-cónica (5), a fin de escalonarlos gradientes de velocidad, manteniendo el tamaño del material constantepara facilitar la limpieza.

• En este tipo de unidades, el tiempo de retención total es de apenas 5 a 10min (efecto del infinito número de compartimientos de la unidad).

• La información disponible sobre floculadores de piedras (5, 8, 9, 10) solopermite diseñar unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/s (figura 3-23).

5.2 Criterios de dimensionamiento

• Habiendo determinado el tiempo de floculación adecuado (TJ) mediante unestudio de prueba de jarras (Tratamiento de agua para consumo humano.Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11), eltiempo de retención para proyectar la unidad se selecciona mediante laexpresión siguiente:

T = TJ [Ln (T

o /T

f) ] / [T

o /T

f - 1] (8)

Donde:

T = tiempo de retención en una unidad de floculación de medio porosoT

o= turbiedad del agua cruda

Tf

= turbiedad después de flocular y sedimentar

• El gradiente de velocidad en un floculador de medio granular se calcula porla siguiente expresión:

G = [ γ . V. J / µ . ε] 1/2 (9)

Donde:

V = velocidad de aproximación = Q/AJ = pérdida de carga unitaria en el medio porosoε = porosidad del material

Floculadores 117

Esférico 1,00 0,38Redondeado 0,98 0,38Desgastado 0,94 0,39Agudo 0,81 0,40Angular 0,78 0,43Triturado 0,70 0,48

Descripción Factor de formaϕ

Porosidadε

• La pérdida de carga para valores de Número de Reynolds elevados secalcula mediante la ecuación de Forchheimer:

J = aV + bV2 (10)

• Los coeficientes a y b se pueden estimar en función de las característicasgranulométricas del medio.

α = [0,162 (1 - ε)2 ] / (ϕ2 D2 ε3 ) (11)

Donde:

ϕ = factor de forma de materialD = diámetro representativo del material

b = [0,018 (1 - ε)] / ϕ D ε3) (12)

• Los valores del factor de forma en función de la porosidad del material sepueden obtener del cuadro 3-6.

El cuadro 3-7 da un ejemplo de aplicación:

Cuadro 3-6. Factores de forma y porosidad de materiales granulares típicos (16)


Cua

dro

3-7.

Pro

ceso

de c

álcu

lo d

e un

flocu

lado

r de m

edio

por

oso (

16)

1C

auda

lQ

= 0

,012

m3 /s

=

60

Q T

/ε

= 6

0 (0

,012

) (5

) /

(0,4

0)Vo

lum

en t

otal

del

m3

=

9,0

flocu

lado

r de

2Ti

empo

de

T =

5m

inpi

edra

sfl

ocul

ació

nPo

rosi

dad

ε =

0,4

—

3D

imen

sion

es d

e la

H =

1,7

mh

= (

V–1/

3 B2 H

)/B2

h =

[9

– 1/

3 (1

,6)2 1

,7]

/ (1

,6)2

Altu

ra d

e la

sec

ción

mpi

rám

ide:

B =

1,6

mh

≈ 2,

95pr

ism

átic

a co

mpl

e-al

tura

men

tari

a oc

upad

ala

dopo

r la

s pi

edra

s

4La

do d

e la

sec

ción

b 1 =

0,4

0m

V 1 = 1

00 Q

/ b 12

V 1 =

100

(0,

012)

/ (

0,4)

2Ve

loci

dad

en l

acm

/sde

ent

rada

del

tro

n-V 1 =

7,5

secc

ión

de e

ntra

daco

de

la p

irám

ide

5La

do d

e la

sec

ción

b 2 =

0,8

mV 2 =

100

Q /

(b2)2

V 2 =

100

(0,

012)

/ (

0,80

)2Ve

loci

dad

en l

acm

/sm

edia

V 2 =

1,8

75se

cció

n m

edia

6La

do d

e la

B =

1,6

mV 3 =

100

Q /

B2V 3

= 1

00 (

0,01

2) /

(1,

6)2

Velo

cida

d en

la

cm/s

secc

ión

máx

ima

V 3 =

0,4

69se

cció

n m

áxim

ade

la

pirá

mid

e

7Ta

mañ

o m

edio

D =

15,

9m

mC

oefic

ient

es d

e la

s/cm

del

mat

eria

lfó

rmul

a de

gran

ular

Forc

hhei

mer

s2 /cm

2

8Fa

ctor

de

form

aö

= 0

,81

J 1 = a

V1 +

b V

12J 1

= 0

,005

5 (7

,5)

+ 0

,013

(7,

5)2

Pérd

ida

de c

arga

mJ 1

= 0

,773

unita

ria e

n la

sec

ción

de e

ntra

da

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Can

tida

dU

nida

d

∀

[] ⎥ ⎦⎤

⎢ ⎣⎡−

=

⎥ ⎦⎤⎢ ⎣⎡

⎥ ⎦⎤⎢ ⎣⎡

−=

3(0

,4)

(15,

9)0,

81

0,4)

(10,

018

b

3(0

,4)

2(1

5,9)

20,

81

20,

41

0,16

2a

()

3 εD

ε)(1

0,01

8b

2 ε2

D2

2ε

10,

162

a

ϕϕ

−=

⎥ ⎦⎤⎢ ⎣⎡

−=

∀ ∀

Floculadores 119C

uadr

o 3-7

. Pro

ceso

de c

álcu

lo d

e un

flocu

lado

r de m

edio

por

oso (

cont

inua

ción

)

9

ã/ì

= 2

.920

G1 =

ã/

ì ·

V 1 J1/

εεεε εG

1 =

2.9

20

7,5

(10

)-2 x

0,7

73 /

0,4

0G

radi

ente

en

s-1

T =

15

°CG

1 =

1.1

12la

sec

ción

de

entr

ada

10J 2 =

a V

2 + b

V22

J 2 =

0,0

055

(1,8

75)

+ 0

,013

(1,

875)

2Pé

rdid

a de

car

gaJ 2

= 0

,056

unita

ria e

n la

secc

ión

med

ia

11G

2 =

2.9

20

[1,

875

(10)

-2 (

0,05

6) /

(0,

40)]

Gra

dien

te d

es-1

G2

= 1

50ve

loci

dad

en l

ase

cció

n m

edia

12J 3 =

a V

3 + b

V32

J 3 =

0,0

055

(0,4

69)

+ 0

,013

(0,

469)

2Pé

rdid

a de

car

gaJ 3

= 0

,005

45en

la

secc

ión

máx

ima

13G

3 =

2.9

20

[0,4

69 (

10)-2

(0,

0054

) /(

0,40

)]G

radi

ente

en

las-1

G3 =

23

secc

ión

máx

ima

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Can

tida

d

Uni

dad


6. FLOCULADORES DE MALLAS O TELAS

Las telas intercaladas en un canal oponen una resistencia localizada al flujoy tienden a uniformarlo, reducen la incidencia de cortocircuitos y actúan comoelementos de compartimentalización. Sus posibilidades de empleo estánprincipalmente orientadas a la ampliación y optimización de unidades de mezclarápida y floculación en plantas existentes.

6.1 Parámetros de diseño

• El proceso se consigue colocando en una unidad mallas de hilo de nylon,las que son atravesadas por el flujo y se produce el gradiente de velocidaddeseado como función de la pérdida de carga. En este caso, la floculacióndepende de las características de las mallas y de la velocidad del flujo.

• La velocidad óptima en cm/s es igual al doble del espaciamiento (e) entrelos hilos de nylon (V = 2e).

• El espaciamiento entre hilos (e) recomendado es de 5 a 15 cm.

• El grosor de hilos (d) más adecuado es de 1,5 a 4 mm.

• Hilos más delgados (d ≤ 1 mm) tienden a romper el flóculo rápidamente.

• Se recomiendan velocidades del flujo del orden de 2 a 5 cm/s para evitar lasedimentación excesiva de los flóculos.

• Cuando las mallas se emplean en canales de mezcla rápida, los parámetrosde diseño recomendados son los siguientes:

1. Velocidades de flujo (V) de 1,0 a 1,5 m/s2. Diámetro de los hilos (d) de 1 a 3 mm3. Espaciamiento entre hilos (e) de 1 a 3 cm.

6.2 Criterios de dimensionamiento

• El criterio para determinar el gradiente de velocidad en mallas está dadopor la siguiente expresión:

Floculadores 121

G = γ Q h / µ (13)

donde la pérdida de carga (h) está dada por la expresión:

h = K V2 / 2g (14)

donde V es la velocidad media de aproximación (Q/A) y K el coeficiente de pérdidade carga, una función de la porosidad (ε) de la malla:

K = 0,55 [1 - ε2 ] / ε2 (15)

Esta expresión es válida para altos valores de (ε) y Re ≤ 500.

• La porosidad (ε) de la malla en función de sus características está dadapor:

ε = (1 - n . d)2 (16)

Donde:

d = diámetro de los hilosn = número de hilos por cada metro de ancho de canal.

• El volumen ( ) en el que se da el proceso se considera como:

= 4 A e (17)

Donde:

A = área de la malla atravesada por el flujo

Por lo que la expresión específica para calcular el gradiente de velocidaden función de las características de las mallas es la siguiente:

o (18)

Para temperaturas de 20 °C la ecuación 18 se transforma en:

G = 350 (K/ e)0,5. V1,5 (19)

en unidades del sistema métrico

1,5e/K6/1=G νν 1,5Ve/k.g8/1=G µ


6.3 Aplicación y recomendaciones

• Las telas pueden ser utilizadas en cualquier elemento de la planta detratamiento para producir un determinado gradiente de velocidad. Si sonintercaladas en el canal o en la tubería de llegada del agua cruda, pro-ducirán la turbulencia necesaria para la mezcla de los productos químicos.Pueden sustituir las paletas de un floculador mecánico, donde, además deoptimizar la floculación, pasan a operar con menor velocidad, lo que prolongala vida útil de la unidad.

• Si las telas son instaladas en tramos rectos de canales de floculaciónhidráulica —donde el gradiente de velocidad normalmente es muy bajo—,generarán gradientes más adecuados, lo que mejorará la floculación ypermitirá un menor tiempo de residencia, bien sea por una tasa más elevadade colisiones entre las partículas —debido al aumento de la superficie decizallamiento (efecto de la viscosidad)— o por el efecto de la división encompartimientos.

• Las experiencias realizadas sugieren que el diámetro del hilo de la mallatiende a limitar el tamaño del flóculo, como si lo cortase, aun a gradientesbajos. Este efecto negativo deja de ser sensible en hilos con un diámetroque sea 3 a 4 veces el máximo diámetro del flóculo; es decir, 3 ó 4 mm.

• El uso de mallas e hilos de diámetro pequeño debe, por lo tanto, quedarrestringido a la mezcla rápida o al inicio de la floculación, cuando el flóculoaún no ha alcanzado tamaños significativos. Después de eso, se debe darpreferencia a mallas e hilos de mayor diámetro, que produzcan los gradientesdeseados sin provocar la ruptura de los flóculos.

• Está demostrado que las telas son dispositivos económicos y eficientes defloculación, con innumerables y promisorias posibilidades de empleo ennuevos diseños y, principalmente, en la ampliación y optimización de plantasexistentes.

• Se ha demostrado también que el gradiente de velocidad en una tela esfunción de la velocidad del flujo y de sus características geométricas(espaciamiento y diámetro de los hilos de la malla). Jugando con los elementosgeométricos de la tela, se podrán obtener valores adecuados de gradiente

Floculadores 123

de velocidad para una velocidad dada en el canal. Se podrán adoptarvelocidades más elevadas, como de 10 a 30 cm/s, por ejemplo, a fin deprevenir una sedimentación excesiva en el floculador.

• Los estudios ya realizados permiten indicar que es posible reducirconsiderablemente el tiempo de floculación. Se podrá obtener una sustancialeconomía en la realización de obras de ampliación o de nuevas instalaciones.Por otro lado, en unidades deficientes se podrá mejorar de manera sensiblela calidad del agua tratada.

• Desde el punto de vista práctico, es fácil instalar telas en cualquier elementode un canal o tanque de floculación, bien sea como dispositivo de floculaciónhidráulico o mecánico.

• Los trabajos hasta ahora realizados no permiten llegar a conclusionesdefinitivas sobre el empleo de las telas en las plantas de tratamiento; noobstante, son lo suficientemente consistentes como para permitir la aplicaciónpráctica de estos dispositivos con relativa seguridad en cuanto a los resultadosesperados. La continuación de los estudios en marcha y la recolección deinformación en las instalaciones donde fueron instalados tales dispositivospermitirán en breve tiempo consolidar y generalizar su uso, con excelentesventajas económicas y operacionales.

• En la aplicación del cuadro 3-8 se ha dimensionado una malla para levantarel gradiente de velocidad en los pasos de un floculador vertical y en elcuadro 3-9, una malla para ajustar el gradiente de velocidad en un mezcladorhidráulico.


REFERENCIAS

(1) Villegas, R. A. y R. D. Letterman. “Optimizing Flocculator Power Input”,Journal of the Environmental Division, abril, 1976.

(2) TeKippe, R. J y R. K. Ham. “Velocity Gradient Paths in Coagulation”,Journal of the American Water Works Association, julio, 1971.

(3) Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos-EPA. Optimizaciónde la producción de plantas de tratamiento de agua mediante elPrograma de Corrección Compuesto. Washington, Agencia de ProtecciónAmbiental de los Estados Unidos. EPA/625/6-91/027, 1998.

(4) Argaman, Y. y W. J. Kaufman. “Turbulence and flocculation”, Journal ofSanitary Engineering Division, ASCE, 1970.

(5) Kawamura, Susumu y R. Rhodes Trussell. “Main Features of Large WaterTreatment Plants in Japan”, Journal of the American Water WorksAssociation, junio, 1991.

(6) Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de la PFR de Barranca. Lima, CEPIS,1977. Documento inédito.

(7) Canepa de Vargas, Lidia. Fotos de archivo. Lima, CEPIS.

(8) Bhargava, D. S. y C. S. P. Ojha. “Models for Design of Flocculating BaffledChannels”, Water Research, vol. 27, 3, 1993.

(9) Canepa de Vargas, Lidia. ‘‘Estudio sobre investigación en floculadores depantallas de flujo horizontal’’. Documento inédito. Lima, 1977.

(10) Canepa de Vargas, Lidia. Estudio de caso.

(11) Richter, Carlos. Projetos de estações de tratamento de água. Módulo4.4. Projetos de unidades de floculação. Lima, CEPIS, 1981.

(12) Programa CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Manual V. Criterios de Diseño. Serie Filtración Rapida.Lima, CEPIS, 1992.

Floculadores 127

(13) Harris, H. S.; W. J. Kaufman y R. B. Krone. “Orthokinetic Flocculation inWater Purification”. Journal of Sanitary Engineering Division, ASCE,diciembre.

(14) CEPIS/OPS (1973). Teoría, diseño y control de los procesos declarificación del agua. Serie Técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1966.

(15) CEPIS/OPS. Criterios de diseño de plantas de tratamiento de agua.Lima, CEPIS/OPS, s. f.

(16) Richter, Carlos y R. B. Moreira. Floculadores de piedras. Experienciasen filtros pilotos. Curitiba, Sanepar, 1980.

(17) Richter, Carlos. Estación de tratamiento para pequeñas comunidades.Curitiba, Sanepar, 1980.

(18) Richter, Carlos. Sistemas de floculación acelerada. Curitiba, Sanepar, s. f.

(19) Snel, H. y Jorge Arboleda. Influencia de la escala de turbulencia en elproceso de floculación del agua. Cali, ACODAL, 1982.

(20) Richter, Carlos. Sistemas simplificados de floculación. SeminarioInternacional sobre Tecnología Apropiada para Potabilización del Agua. Cali,ACODAL, Seccional Valle del Cauca, 1987.

(21) Canepa de Vargas, Lidia. Programa de evaluación de plantas enRepública Dominicana. Informe Técnico 356. Lima, CEPIS, 1986.

(22) Mhaisalkar, V. A., R. Paramasivam y A. G. Bhole. “Optimizing PhysicalParameters of Rapid Mix Design for Flocculation of Turbid Waters”. WaterResearch, vol. 25, 1, 1991, pp. 43-52.

(23) Dharmappa, H. B., J. Verink, O. Fujiwara y S. Vigneswaran. “OptimalDesign of a Flocculator”. Water Research, vol. 27, 3, 1993, pp. 513-519.

Floculadores 129

0 1,787⋅10-2 1,787⋅10-2 1,787⋅10-3 1,787⋅10-6 3,73⋅10-5 1,92⋅10-5

1 1,728⋅10-2 1,728⋅10-2 1,728⋅10-3 1,728⋅10-6 3,61⋅10-5 1,86⋅10-5

2 1,671⋅10-2 1,671⋅10-2 1,671⋅10-3 1,671⋅10-6 3,49⋅10-5 1,80⋅10-5

3 1,618⋅10-2 1,618⋅10-2 1,618⋅10-3 1,618⋅10-6 3,38⋅10-5 1,74⋅10-5

4 1,567⋅10-2 1,567⋅10-2 1,567⋅10-3 1,567⋅10-6 3,27⋅10-5 1,69⋅10-5

5 1,519⋅10-2 1,519⋅10-2 1,519⋅10-3 1,519⋅10-6 3,17⋅10-5 1,63⋅10-5

6 1,472⋅10-2 1,472⋅10-2 1,472⋅10-3 1,472⋅10-6 3,08⋅10-5 1,58⋅10-5

7 1,428⋅10-2 1,428⋅10-2 1,428⋅10-3 1,428⋅10-6 2,98⋅10-5 1,54⋅10-5

8 1,386⋅10-2 1,386⋅10-2 1,386⋅10-3 1,386⋅10-6 2,90⋅10-5 1,49⋅10-5

9 1,346⋅10-2 1,346⋅10-2 1,346⋅10-3 1,346⋅10-6 2,81⋅10-5 1,45⋅10-5

10 1,307⋅10-2 1,307⋅10-2 1,307⋅10-3 1,307⋅10-6 2,73⋅10-5 1,41⋅10-5

11 1,271⋅10-2 1,271⋅10-2 1,271⋅10-3 1,271⋅10-6 2,66⋅10-5 1,37⋅10-5

12 1,235⋅10-2 1,235⋅10-2 1,235⋅10-3 1,235⋅10-6 2,58⋅10-5 1,33⋅10-5

13 1,202⋅10-2 1,203⋅10-2 1,202⋅10-3 1,203⋅10-6 2,51⋅10-5 1,29⋅10-5

14 1,169⋅10-2 1,170⋅10-2 1,169⋅10-3 1,170⋅10-6 2,44⋅10-5 1,26⋅10-5

15 1,139⋅10-2 1,140⋅10-2 1,139⋅10-3 1,140⋅10-6 2,38⋅10-5 1,23⋅10-5

16 1,109⋅10-2 1,110⋅10-2 1,109⋅10-3 1,110⋅10-6 2,32⋅10-5 1,19⋅10-5

17 1,081⋅10-2 1,082⋅10-2 1,081⋅10-3 1,082⋅10-6 2,26⋅10-5 1,16⋅10-5

18 1,053⋅10-2 1,054⋅10-2 1,053⋅10-3 1,054⋅10-6 2,20⋅10-5 1,13⋅10-5

19 1,027⋅10-2 1,029⋅10-2 1,027⋅10-3 1,029⋅10-6 2,14⋅10-5 1,11⋅10-5

20 1,002⋅10-2 1,004⋅10-2 1,002⋅10-3 1,004⋅10-6 2,09⋅10-5 1,08⋅10-5

21 0,9779⋅10-2 0,9799⋅10-2 0,978⋅10-3 0,980⋅10-6 2,04⋅10-5 1,05⋅10-5

22 0,9548⋅10-2 0,9569⋅10-2 0,954⋅10-3 0,957⋅10-6 1,99⋅10-5 1,03⋅10-5

23 0,9325⋅10-2 0,9348⋅10-2 0,932⋅10-3 0,935⋅10-6 1,95⋅10-5 1,01⋅10-5

24 0,9111⋅10-2 0,9136⋅10-2 0,911⋅10-3 0,914⋅10-6 1,90⋅10-5 0,98⋅10-5

25 0,8904⋅10-2 0,8930⋅10-2 0,890⋅10-3 0,893⋅10-6 1,86⋅10-5 0,96⋅10-5

26 0,8705⋅10-2 0,8733⋅10-2 0,870⋅10-3 0,873⋅10-6 1,82⋅10-5 0,94⋅10-5

27 0,8513⋅10-2 0,8543⋅10-2 0,851⋅10-3 0,854⋅10-6 1,78⋅10-5 0,92⋅10-5

28 0,8327⋅10-2 0,8359⋅10-2 0,833⋅10-3 0,836⋅10-6 1,74⋅10-5 0,90⋅10-5

29 0,8148⋅10-2 0,8181⋅10-2 0,815⋅10-3 0,818⋅10-6 1,70⋅10-5 0,88⋅10-5

Tempera-

tura (°°°°°C)Sistema métrico Inglés

Viscosidad

dinámica

(poises)

Viscosidad

cinemática

(Stokes)

Viscosidad

dinámica

(N-s/m2)

Viscosidad

cinemática

(m2/s)

Viscosidad

dinámica

(lb = s/pie2)

Viscosidad

cinemática

(pie2/s)

Anexo AViscosidad del agua


30 0,7975⋅10-2 0,8010⋅10-2 0,798⋅10-3 0,801⋅10-6 1,66⋅10-5 0,86⋅10-5

31 0,7808⋅10-2 0,7844⋅10-2 0,781⋅10-3 0,784⋅10-6 1,63⋅10-5 0,84⋅10-5

32 0,7647⋅10-2 0,7685⋅10-2 0,765⋅10-3 0,768⋅10-6 1,60⋅10-5 0,83⋅10-5

33 0,7491⋅10-2 0,7531⋅10-2 0,749⋅10-3 0,753⋅10-6 1,56⋅10-5 0,81⋅10-5

34 0,7340⋅10-2 0,7381⋅10-2 0,734⋅10-3 0,738⋅10-6 1,53⋅10-5 0,79⋅10-5

35 0,7194⋅10-2 0,7237⋅10-2 0,719⋅10-3 0,724⋅10-6 1,50⋅10-5 0,78⋅10-5

36 0,7052⋅10-2 0,7097⋅10-2 0,705⋅10-3 0,710⋅10-6 1,47⋅10-5 0,76⋅10-5

37 0,6915⋅10-2 0,6961⋅10-2 0,692⋅10-3 0,696⋅10-6 1,44⋅10-5 0,75⋅10-5

38 0,6783⋅10-2 0,6831⋅10-2 0,678⋅10-3 0,683⋅10-6 1,42⋅10-5 0,74⋅10-5

39 0,6654⋅10-2 0,6703⋅10-2 0,665⋅10-3 0,670⋅10-6 1,39⋅10-5 0,72⋅10-5

40 0,6529⋅10-2 0,6580⋅10-2 0,653⋅10-3 0,658⋅10-6 1,36⋅10-5 0,71⋅10-5

41 0,6408⋅10-2 0,6461⋅10-2 0,641⋅10-3 0,646⋅10-6 1,34⋅10-5 0,70⋅10-5

42 0,6291⋅10-2 0,6345⋅10-2 0,629⋅10-3 0,636⋅10-6 1,31⋅10-5 0,68⋅10-5

43 0,6178⋅10-2 0,6234⋅10-2 0,618⋅10-3 0,623⋅10-6 1,29⋅10-5 0,67⋅10-5

44 0,6067⋅10-2 0,6124⋅10-2 0,607⋅10-3 0,612⋅10-6 1,27⋅10-5 0,66⋅10-5

45 0,5960⋅10-2 0,6019⋅10-2 0,596⋅10-3 0,602⋅10-6 1,24⋅10-5 0,65⋅10-5

46 0,5856⋅10-2 0,5916⋅10-2 0,586⋅10-3 0,592⋅10-6 1,22⋅10-5 0,64⋅10-5

47 0,5755⋅10-2 0,5817⋅10-2 0,576⋅10-3 0,582⋅10-6 1,20⋅10-5 0,62⋅10-5

48 0,5656⋅10-2 0,5819⋅10-2 0,566⋅10-3 0,572⋅10-6 1,18⋅10-5 0,61⋅10-5

49 0,5561⋅10-2 0,5626⋅10-2 0,556⋅10-3 0,563⋅10-6 1,16⋅10-5 0,60⋅10-5

50 0,5468⋅10-2 0,5534⋅10-2 0,547⋅10-3 0,553⋅10-6 1,14⋅10-5 0,59⋅10-5

Tempera-

tura (°°°°°C)Sistema métrico Inglés

Viscosidad

dinámica

(poises)

Viscosidad

cinemática

(Stokes)

Viscosidad

dinámica

(N-s/m2)

Viscosidad

cinemática

(m2/s)

Viscosidad

dinámica

(lb = s/pie2)

Viscosidad

cinemática

(pie2/s)

Viscosidad del agua (continuación)

CAPÍTULO 4

DECANTADORES LAMINARES

Decantadores laminares 135

1. INTRODUCCIÓN

En este capítulo trataremos exclusivamente del diseño de las unidades dedecantación de flujo laminar o de alta tasa. Los decantadores laminares puedentratar caudales mayores en un área y estructura menor de la que requieren losdecantadores convencionales y su eficiencia es superior. Comparándolos con lasunidades de contacto de sólidos o decantadores de manto de lodos, que tambiénson de alta tasa, no requieren energía eléctrica para su operación. Por todas estasventajas, esta unidad es considerada como tecnología apropiada para países endesarrollo y para todo programa de mejoramiento de la calidad del agua que tengacomo meta conseguir la mejor calidad al menor costo de producción; esto es, parala sostenibilidad de los proyectos.

2. DECANTADORES DE PLACAS

• Mediante la colo-cación de placasparalelas o módu-los de diferentes ti-pos en la zona desedimentación, seobtiene en estasunidades una gransuperficie de depo-sición para loslodos, con lo cualse logra disminuirapreciablemente elárea superficial delos tanques.

Canal de a

gua decantada

Canal de

distribución de

agua floculada

Canal de descarga

de lodos

Canaletas de coleta

de agua decantada

Placas de

asbesto-cemento

100 L/s

2,40 m

150

2,40 m

10 m

Figura 4-1. Decantador de placas paralelas (1)


La diferencia básica entre los decantadores laminares o de alta tasa y losdecantadores convencionales reside en que los primeros trabajan —como su nom-bre lo indica— con flujo laminar (número de Reynolds, Nr < 500) y los últimos conflujo turbulento (Nr entre 10.000 y 250.000). Esta diferencia teórica fundamentaldebe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros (2).

2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño

• El parámetro de diseño más importante en las unidades de decantación esla velocidad de sedimentación de los flóculos, que depende fundamental-mente de las características del agua cruda y de la eficiencia delpretratamiento. Por esta razón, la velocidad de diseño debe determinarseexperimentalmente para cada caso. Véase la metodología para su determi-nación en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de fil-tración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.

• Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varíanentre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90%(8). En cada caso, es necesario efectuar un estudio de tratabilidad del agua,para determinar la tasa de decantación con la cual se podrán obtener 2 UNde turbiedad residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendacio-nes de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismospatógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habidacuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe unafluente de la calidad indicada (3).

• De acuerdo con investigaciones realizadas en prototipos, las unidades sepueden diseñar con Nr de hasta 500, sin que se obtengan disminucionesapreciables en la eficiencia alcanzada (1).

• En los decantadores laminares, el Nr es una consecuencia de la geometríade los elementos tubulares y de la velocidad del flujo en el interior de estos,y no una condición del proyecto (1). De acuerdo con este criterio —que seva corroborando con la experiencia práctica indicada en el ítem anterior—no es necesaria la obtención de un flujo laminar puro para mejorar la efi-ciencia del proceso.


• Al utilizarse el Nr en el límite máximo del rango laminar, se consigue am-pliar la separación de las placas o la sección de los módulos, lo cual serefleja en una gran economía, al disminuir el número de placas o módulosempleados en la construcción de la unidad.

• La velocidad longitudinal media (Vo) en los elementos tubulares común-mente se adopta entre 10 y 25 cm/min. En cada caso, es posible determinarla velocidad máxima del flujo mediante la expresión (1):

Vo máx. = [Nr / 8]0,5 . Vsc

Donde Vsc = velocidad de sedimentación de las partículas

• Dada la gran cantidad demódulos que se precisan, esdeseable que el material seade bajo costo y muy resis-tente a la permanencia bajoel agua. Los materiales quese usan para este fin son laslonas de vinilo reforzadascon poliéster, el asbesto-ce-mento, el plástico y la fibrade vidrio.

• Las lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad son elmaterial más usado actualmente por sus grandes ventajas: no producenpérdidas por rotura, el sistema de instalación es más sencillo y su duraciónes muchísimo mayor. Es un material muy confiable en zonas de alto riesgosísmico.

• Tradicionalmente, en este tipo de unidades se han venido utilizando las plan-chas de asbesto-cemento por su alta disponibilidad, bajo costo y resistenciaa la corrosión, con las siguientes dimensiones: 1,20 metros de alto por 2,40metros de largo, con espesores de un centímetro o de 6 y 8 milímetros,siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibras largas de asbesto. Lasrestricciones de calidad de agua para su empleo son las mismas que sedieron en el capítulo anterior.

Figura 4-2. Módulos de decantación defibra de vidrio (4)


• También se utilizan módulosde plástico y de fibra de vidrioprefabricados por su facilidadde instalación. Al elegir el plás-tico, debe consultarse con elfabricante su resistencia a laexposición directa a los rayossolares. Los módulos prefabri-cados, tanto los de plásticocomo los de fibra de vidrio,normalmente son muy delga-dos y se destruyen fácilmenteal ser sometidos a una opera-ción normal de lavado conagua a presión. En la foto de la figura 4-2 se puede percibir que con solodos meses de operación los módulos de fibra de vidrio ya empiezan a defor-marse y en la figura 4-3 se puede ver cómo terminan los de plástico al cabode unos años.

3. DECANTADORES DE FLUJO ASCENDENTE

Para optimizar el funcionamiento de estas unidades, debemos consideraren el proyecto estructuras de entrada, salida, almacenamiento y extracción de

Figura 4-3. Módulos de decanta-ción de plástico deteriorados (4)

lodos correctamente conce-bidas, a través de las cualesse debe vehiculizar el aguapara lograr el mejor compor-tamiento y la máxima efi-ciencia de la unidad. Múlti-ples evaluaciones han per-mitido determinar que la efi-ciencia de este tipo dedecantador está estrecha-mente ligada al comporta-miento hidráulico de la uni-dad.

Figura 4-4. Decantador de placasde flujo ascendente (2)

Drenaje de lodos

Canal colector de agua

decantadaTubería recolectora de agua

decantada

Canal distribuidor de

agua floculada

Orificio de

entrada

Placas de

asbesto-cemento


Zona de entrada. Canal o tubería que distribuye de manera uniforme elagua floculada al módulo de placas. Véase el segundo piso del canal central en lafigura 4-4.

Zona de decantación. Mediante pantallas paralelas de lona, planchas deasbesto-cemento, fibra de vidrio, etcétera.

Zona de salida. Sistema de recolección del agua decantada mediantecanaletas, tuberías perforadas (véase la figura 4-4) o vertederos perimetrales,dependiendo del tamaño o capacidad de la unidad.

Zona de depósito y extracción de lodos. Tolvas de almacenamientocontinuas y múltiples. Sistema hidráulico de extracción uniforme de lodos, me-diante colector múltiple y sifones.

4. ZONA DE ENTRADA

Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme atodas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Estafunción la desempeñan dos canales con diferente ubicación.

4.1 Criterios de diseño

• Si se proyectan canales de sección variable, se consigue distribuir el caudalde manera uniforme a varias unidades, para que la velocidad se mantengaconstante.

• La sección del canal puede tener ancho constante y profundidad variable oancho variable y profundidad constante. Los canales del primer tipo son losmás convenientes porque permiten compactar más el área de la planta. Lafigura 4-5 muestra un canal de ancho variable. En plantas grandes el anchode este canal puede ser de varios metros, por lo que resulta muy convenien-te que tenga un ancho constante y que la mayor dimensión esté en la pro-fundidad, aprovechando la excavación que inevitablemente se hará para laconstrucción del decantador.

• Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y laúltima compuerta u orificio lateral de distribución, lo cual se compruebamediante la aplicación de los criterios de Hudson (5).


• El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas (β) está dado porla siguiente expresión:

β = 1 + θ + (Vc / VL )2. ϕ (1)

Donde:

1 = pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateralθ = coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como

los que se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor deeste coeficiente es de θ = 0,7

ϕ = coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la co-rriente, ϕ = 1,67

Vc = velocidad en el canal o tubo principal de distribución en m/sVL = velocidad en los laterales: compuertas o tuberías laterales que reciben

el caudal distribuido en m/s

• La velocidad real en los laterales (VL1) se comprueba mediante la siguienteexpresión:

VL = Qt

(2)

Donde:

Qt = caudal total por distribuir (m3/s)AL = área de cada uno de los orificios de las compuertas o de los tubos

laterales de distribución (m2)

• Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o sec-ciones de paso, se empleará la siguiente expresión (6):

G = (γ/2µg)0,5 . (f /4 RH)0,5 . VL1,5 (3)

Donde:

γ = densidad del agua en kg/cm3

RH = radio hidráulico de la sección en m

( )∑ =

n

1i i1

1 β/ β . AL


µ = viscosidad absoluta (kg/cm2

x seg)f = coeficiente de Darcy-

Weisbach: varía entre 0,015y 0,030

hf = β VLn

2 /2g (4)

hf = pérdida de carga en mVL

n= velocidad real en el lateral

número n en m/s.

Aplicación 1. Canal de distribución uniforme del agua floculada a los decantadores.

• Todos los decantadores que operan en paralelo deben tener un comporta-miento similar. Esto solo ocurrirá si todos reciben caudales iguales para quela tasa de operación sea uniforme.

• El cuadro 4-1 muestra un ejemplo de aplicación al diseño de un canal quedistribuye 0,5 m3/s a cinco decantadores; se admite una desviación de has-ta 5% (figura 4-6). Este diseño se comprobó y la desviación de la velocidaden las compuertas de paso dio 4,2%, menor de 5% y, por lo tanto, aceptable(cuadro 4-2).

Figura 4-5. Canal de distribución avarios decantadores (4)


Cua

dro 4

-1. D

imen

siona

mie

nto d

el ca

nal d

e agu

a flo

cula

da (4

)

1C

auda

lQ

= 0

,500

m3 /s

q =

Q/N

q =

0

,50/

5C

auda

l de

ingr

eso

a m

3 /sq

=

0,1

0ca

da d

ecan

tado

r2

N.°

de

N =

5co

nsta

nte

deca

ntad

ores

3A

ncho

del

can

alB

= 1

,50

mA F

= H

F . B

A F =

0,6

0 (1

,50)

Secc

ión

final

del

m2

A F =

0,9

0ca

nal

4A

ltura

mín

ima

HF

= 0

,60

m

5V c =

q/A

FV c =

0,1

00 /

0,9

0Ve

loci

dad

en l

am

/sV c =

0,1

1se

cció

n fin

al d

el c

anal

6Ve

loci

dad

en l

aVi

= 0

,145

m/s

A i = Q

/ Vi

A i = 0

,500

/0,1

45Se

cció

n in

icia

lm

2

secc

ión

inic

ial

A i = 3

,45

del

cana

lH

i = A

i / B

B i = 3

,45/

1,50

= 2

,30

Altu

ra i

nici

al d

elm

cana

l

7Ve

loci

dad

en l

osVL

= 0

,28

m/s

A L = q

/ VL

A L =

0,1

00/

0,28

Secc

ión

útil

m2

late

rale

sA L

= 0

,36

de l

as c

ompu

erta

sb

= 0

,60

; h

= 0

,60

8C

oefi

cien

tes

è =

0,7

0β 1=

1+è+

Ø [V

c /VL]

2ß 1

=1+

0,7

+1,

67 [

0,14

5/0,

28] 2

Coe

ficie

nte

de p

érdi

daco

nsta

nte

expe

rim

enta

les

Ø =

1,6

7ß 1

= 2

,148

de c

arga

en

los

orifi

cios

de H

udso

nde

las

com

puer

tas

9D

el c

uadr

o 4-

2

=V

L 1 = Q

t / A

L .

VL1=

0,5

00 /

(0,

36)

.Ve

loci

dad

real

en

m/s

3,46

7(1

,466

)(3,

467)

la p

rim

era

com

puer

taVL

1 =

0,2

73

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

Can

tida

d

∑β

1/

1,46

6=

1β

1β

∑β

/1

Decantadores laminares 143C

uadr

o 4-1

. Dim

ensio

nam

ient

o del

cana

l de a

gua f

locu

lada

(co

ntin

uaci

ón)

10D

el c

uadr

o 4-

2β 5

= 1

,963

VL5

= 0

,500

/ (

0,36

).(1,

401)

Velo

cida

d re

al e

nm

/s(3

,467

)la

últi

ma

VL5

= 0

,288

com

puer

ta

ä =

(VL 5

- VL 1

) / VL

5ä

= (

0,28

8 –

0,27

6) /

0,2

88D

esvi

ació

n de

ä =

4,2

%

; ä

< 5

,0%

caud

al a

cept

able

h f = ß

VL 52

/2g

h f = 1

,96

(0,2

88)2

/19,

6Pé

rdid

a de

car

gam

h f = 0

,008

en l

as c

ompu

erta

s

11A

ncho

de

secc

ión

b =

0,6

0m

R H =

(axb

)/2(

a+b)

R H =

(0,

60x0

,60)

/2(0

,60+

0,60

)R

adio

hid

rául

ico

mPr

ofun

dida

d de

a =

0,6

0m

R H =

0,1

5de

una

com

puer

tase

cció

n

12C

oef.

Dar

cyf

= 0

,02

G=

(ã/

2ìg)

0,5

.G

= (

2.95

5(1/

19,6

)0,5 x

[0,0

2/G

radi

ente

de

s-1

(f /4

RH)0,

5 . VL

1,5

4 (0

,15)

]0,5

(0,

288)

1,5

velo

cida

d al

pas

oG

= 1

8,8

del

flujo

por

las

com

puer

tas

13

ã/ì

=

2,95

5

14Ve

loci

dad

de la

VL5

= 0

,288

com

puer

tanú

mer

o 5

Pas

oD

atos

Cri

teri

osC

álcu

los

Uni

dad

Res

ulta

dos

Uni

dad

Can

tida

d


do y a ambos lados del canal, conuna distancia de centro a centro de0,50 metros. Podemos ver la for-ma de este canal en la figura 4-8.Véase el procedimiento de cálculoen el cuadro 4-3.

Aplicación 3. Distribución median-te tuberías

Cuando se proyectan decantadores

Figura 4-8. Forma del canal central dedistribución de agua floculada a lo largo

del módulo de placas (4)

Figura 4-9. Solución para decantadoreslaminares de pequeña capacidad (4)

Figura 4-10. Decantador laminar con distribuciónde agua floculada mediante tuberías (4)

Losas removibles

con orificios

Orificios

Decantador laminar

Asbesto-cemento

o vinilonas

Vertederos

regulables

Vertederos

regulables

Asbesto-cemento

o vinilonas

Orificios

Losas removibles

con orificios

pequeños, en lugar de canales, se emplean tuberías de PVC con perforaciones yse calcula la relación entre eldiámetro de la tubería y los ori-ficios con criterios de distribu-ción uniforme. Véanse las fi-guras 4-9 y 4-10. Considera-remos para el estudio de casoun decantador con capacidadpara producir 10 L/s. Véase elcuadro de cálculo 4-5.

En la figura 4-10 se pre-senta un corte longitudinal deldecantador pequeño. Las tube-

rías que se utilizan paradistribuir el agua floculadason de PVC y losdecantadores debenproyectarse con la longi-tud máxima que da eltubo.

Válvula

mariposa

Sistema de recolección de agua decantada

Losas removibles con

orificios para la

extracción de lodos

Canal repartición

de agua floculada

Ag

ua

de

ca

nta

da

Orificios

Decantador laminar

De

sa

gü

e

Válvula

mariposa

ø 4’’

Tubería de distribución de agua floculada


5. ZONA DE SEDIMENTACIÓN

5.1 Criterios específicos

• Esta zona se proyecta sobre labase de la tasa de decantaciónseleccionada durante el estu-dio de laboratorio efectuadocon el agua cruda. La muestradebe tomarse durante el perio-do lluvioso, para que los resul-tados de estas pruebas, queconstituyen los parámetros dediseño del proyecto, correspon-dan a las necesidades de laépoca más crítica.

• Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos depoliéster de alta tenacidad (KP 500 ó 1.000), recubiertas por ambos ladoscon PVC de formulación especial; con bastas en todo el contorno y caboso refuerzos metálicos internos, por lo menos en los laterales y en la parteinferior. Estarán provistas de ojalillos de aluminio en las cuatro esquinas, losque servirán para templarlas y fijarlas convenientemente, mediante pasadoresde plástico, a perfiles de aluminio, ubicados en las paredes de los canaleslaterales. Véase el detalle de la instalación en la figura 4-12.

Figura 4-11. Zona de decantación mediantemódulos de asbesto-cemento (4)

Figura 4-12. Instalación de las lonas de vinilo (4)

Perno de anclaje

Perfil de aluminio e = 1/4”

Lonas depoliéster

Ver Det. A-A

Pasador

Perno deanclaje

Perfil dealuminio e = 1/4”

Corte 1-1 Detalle A-A

1

Perfil de aluminio e = 1/4”

Lonas depoliéster

1

60º

con orificios de φ 1/2”


• Los perfiles de aluminio que se empotran en las paredes laterales son de90°, 1/4" de espesor y 5 centímetros de ancho con orificios de un centíme-tro de diámetro, separados a partir del extremo de acuerdo con elespaciamiento calculado en el proyecto (10, 12 ó 14 centímetros). El perfilsuperior se ubicará a 1,30 metros del borde superior del decantador, de talmanera que el nivel máximo del módulo de decantación tenga un metro desumergencia. Las lonas se instalarán formando un ángulo de 60° con elplano horizontal, por lo que el perfil inferior se colocará paralelo al anterior,a una distancia de 1,04 metros ycon los orificios dispuestos en for-ma similar.

• Las láminas de asbesto-cementode 6 milímetros de espesor y 2,40metros de largo se pandean y pro-ducen una flecha de hasta 5 cen-tímetros cuando están inclinadasa 60° y soportadas solo en sus ex-tremos.

• Esto se resuelve colocando uno odos separadores al centro de las placas, de forma que se apoyen unas sobrelas otras, con lo que se evita una deflexión excesiva. Estos separadorespueden ser de madera o de asbesto-cemento (figura 4-13).

• Los separadores de asbes-to-cemento constan de tirasde 5 a 6 centímetros de an-cho y 10 milímetros de es-pesor, adheridas con pega-mento a las láminas para sumayor estabilidad. Tambiénse usan perfiles en ‘‘U’’,asegurados con tornillos,aunque es suficiente la solapresión de una placa sobrela otra para conservar losseparadores en su posición(figura 4-14).

Figura 4-13. Separadores paraplacas de asbesto-cemento (7)

Figura 4-14. Otros tipos de separadoresde placas (7)

5 cm

8 cm

de

Lámina de

asbesto-cemento

Perfil en ‘‘U’’

de aluminio

Separadores de

asbesto-cemento


Perfil de

2’’x 2’’ x 1/4’’

Viga con borde

dentado

Perfil visto en planta

Perfil con ranuras

Lámina de

asbesto-

cemento

• El apoyo de las pla-cas en sus extremosse ha efectuado devarias formas. Unade las más difícilesde llevar a la prácti-ca, dependiendo de lacalidad de mano deobra disponible, con-siste en efectuar ra-nuras longitudinalesde 4 a 5 centímetrosde profundidad e in-clinadas en 60°, enlos muros que limitanel ancho de la zonade decantación.

• Otro sistema de colocación de placas consiste en empotrar un perfil de 2" x2" x 1/4", debidamente protegido contra la corrosión, con ranuras conve-nientemente dispuestas para sujetar las láminas en la parte superior. Sedejará una saliente de unos 10 centímetros en los muros para sujetar lasláminas en el extremo inferior (figura 4-15).

En algunos casos, solamente se colocarán apoyadas en la parte baja y conseparadores en el medio de las láminas.

• En plástico se han adoptado las formas tubulares de sección cuadrada,hexagonal o circular, que constituyen los denominados módulos patentados(figuras 4-16).

• Los módulos patentados se fabrican normalmente de plástico o de fibra devidrio. El plástico es el material ideal para este fin por su poco peso. Comosu costo es muy alto, los módulos de este material tienen de 0,50 a 0,60metros de altura y están hechos de láminas muy delgadas para disminuir supeso y, por consiguiente, también el costo de transporte.

Figura 4-15. Detalle de instalación de placasde asbesto-cemento con perfiles (4)


• Los módulos dan mayor resistenciaestructural al conjunto, pero hidráuli-camente tienen desventajas con res-pecto a las placas. A igualdad de con-diciones (inclinación y longitud rela-tiva), las secciones tubulares cuadra-das o circulares producen cargas su-perficiales equivalentes más altas quelas de placas. Debido a la poca alturade los módulos, decrece el valor de laprofundidad relativa del decantador,que es de 10 a 12 en este caso, mien-tras que con las placas es de 20 a 24,lo cual incrementa la tasa superficial de la unidad en 50 a 60% por este soloconcepto.

5.2 Criterios para el dimensionamiento

• El área total que debe cubrirse con placas espesor (e) y separación (e’), enel plano horizontal, se calcula mediante la siguiente expresión:

As = Q/ fV

s(5)

f = sen θ (sen θ + L Cos θ) / s

Donde:

Q = caudal en m3/dsV

s= velocidad de sedimentación de la partícula en m/s

L = longitud relativaS = módulo de eficiencia de placas

• La longitud relativa L se determina mediante la siguiente expresión:

L = lu / d (6)

Donde:

lu = longitud útil dentro de las placasd = espaciamiento entre las placas

Figura 4-16. Módulos de decantaciónde sección hexagonal (4)


• El número total de placas por instalar (N) se calcula mediante la siguienteexpresión:

N = As sen θ / B d (7)

Donde:

B = Ancho total neto de la zona de decantación

• El número de Reynolds se comprueba mediante la siguiente expresión:

Nr = 4 RH . Vo / v (8)

Donde:

v = viscosidad cinemática en m2/sVo = velocidad media del flujo en m/sRH = radio medio hidráulico en m

5.3 Aplicación

Siguiendo con el ejemploinicial, pasaremos a calcular unaunidad para 100 L/s de capaci-dad. Se efectuaron los estudiosde laboratorio con una muestrade 550 UNT, representativa delas condiciones más críticas, y seobtuvo la curva de decantaciónindicada en la figura 4-17.

A partir de la curva dedecantación, se desarrolló el cua-dro 4-6. Entrando en la curva conlos valores de velocidad de sedimentación correspondientes al rango de tasas dela primera columna del cuadro, se van obteniendo los valores de Co = Tf/To, conlos que se calculan las columnas siguientes (véase Tratamiento de agua paraconsumo humano. Planta de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II,capítulo 11).

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12Vs (cm/s)

Co

Figura 4-17. Curva de decantación (4)

Curva de decantación


Cuadro 4-6. Selección de la velocidad óptima de decantación (4)

Q Vs Co Rt Tr Tf

m3/m2/d cm/s % UNT UNT UNT

25 0,029 0,15 0,999 179,75 0,25

28,5 0,033 0,16 0,996 179,35 0,65

30 0,035 0,175 0,994 178,84 1,16

35 0,040 0,18 0,991 178,31 1,69

36 0,042 0,185 0,989 178,00 2,00

37 0,043 0,19 0,987 177,74 2,26

40 0,046 0,22 0,979 176,30 3,70

Del análisis del cuadro anterior se determinó que la tasa de decantacióncon la que se podía obtener un efluente con 2 UNT era de 36 m3/m2.d.

Dado que esta tasa se obtuvo en el laboratorio en condiciones ideales, seaplicó un coeficiente de seguridad de 1,3, con el que se obtuvo una tasa de 27,7m3/m2.d. Durante el cálculo, esta tasa se incrementó a 28,74 m3/m2.d para redon-dear la longitud del decantador a 12 metros. Véase un ejemplo de cálculo de launidad en el cuadro 4-7.


Cua

dro 4

-7. D

imen

siona

mie

nto d

e un

deca

ntad

or d

e pla

cas p

aral

elas

(con

tinua

ción

)

5LT

= 1

cosè

+[N

d+(N

+1)

e]/s

enè

Long

itud

tota

lm

LT =

[1,

2(0,

5) +

95(

0,10

33)

+ (

95+

1)0,

0006

] /

del

deca

ntad

or(0

,866

)LT

= 1

2

6Vo

= Q

/ A s s

enè

Velo

cida

d m

edia

cm/s

Vo =

{0,

100

/[54

,41(

0,86

6)]}

· 1

00de

l flu

joVo

= 0

,21

7A

ncho

del

mód

ulo

b =

2,4

mRH

= b

.d/2

(b+

d)R

adio

hid

rául

ico

cmde

pla

cas

RH =

(2,

40)(

0,10

3)(1

00)

del m

ódul

o de

2(2,

40 +

0,1

03)

plac

asRH

= 4

,95

8V

isco

sida

d a

10 °

CV

= 0

,013

cm2 /s

Nr

= 4

RH

x V

o/v

Núm

ero

deN

r =

4(4

,95)

(0,2

1)/0

,013

Rey

nold

sN

r =

32

0

9Vo

= [

NR/

8] 0

,5 V

scVe

loci

dad

cm/s

Vo =

[32

3/8]

0,5

(0,0

33)

long

itudi

nal

Vo =

0,2

1m

áxim

a

Uni

dad

Cál

culo

sC

anti

dad

Pas

oD

atos

Res

ulta

dos

Uni

dad


D h

h/D < 0,75

6. ZONA DE SALIDA

6.1 Criterios generales

• La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las característi-cas de la zona de entrada como de la de salida.

Figura 4-18. Canal central y tuberías laterales de recolección de agua decantada (6)

• Para conseguiruna extracciónuniforme, se pue-de diseñar ya seaun canal centralrecolector y ca-nales laterales (fi-gura 4-18), un ca-nal central y tube-rías laterales per-foradas o un ca-nal central yvertederos latera-les (figura 4-19).

• No es recomendable diseñar vertederos fijos de bordes lisos, porque cual-quier desigualdad en los bordes produce apreciables desigualdades en lacantidad de agua extraída.

Figura 4-19. Vertederos de recolección regulables (6)

Vertedero metálico ajustable

ho ho

b

ho


En los bordes de los vertederos de concreto deben empernarse láminas deacero o PVC dentadas (con vertederos en ve) o de bordes lisos, que traba-jen con tirantes de agua de 5 a 10 centímetros. Esta solución permitiránivelarlos en obra (figura 4-19).

• Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultadoscuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de aguasobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central ocanales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última con-dición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.

6.2 Criterios para el dimensionamiento

• La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la si-guiente expresión:

lv = Q/qr

(9)

Donde:

Q = caudal de diseño del decantador en L/sq

r= tasa de diseño de los vertederos, que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m de

longitud de vertedero.

Los valores de qr

cercanos a 1,10 L/s x mse recomiendan paraflóculos débiles o paraplantas con operaciónpoco confiable, y valo-res cercanos a 3,30,para casos de flóculosgrandes, pesados y conbuen nivel de operación.

Figura 4-20. Sistema de recolección mediantetuberías perforadas (4)


• La distancia máxima entre los vertederos de recolección (d) es una funciónde la profundidad (h) de instalación de los módulos o placas, y esinversamente proporcional a la tasa de escurrimiento superficial.

d/ h = 432/ Vs (10)

Donde:

Vs = velocidad ascensional del agua o tasa de escurrimiento superficial enm3/m2/d

En el gráfico de la figura 4-21 se encuentra representada la variación ded/h con Vs.

• Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, serecomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación 9, eldistanciamiento máximo centro a centro mediante el criterio de la ecuación10 y, para que la colección sea uniforme, el diámetro de los orificios y deltubo se determinarán a partir de la expresión 11.

Vc/Vo = nAo/Ac < 0,15 (11)

Donde:

n = número de orificios. Se calcula de acuerdo con la longitud del tubo,con un espaciamiento de 0,10 metros

Ao = área de los orificios, normalmente ½”Ac = área del tuboVo = velocidad en los orificios en m/sVc = velocidad en la tubería en m/s

Esta relación de velocidades o de secciones asegura una desviación < 5%(véase el ábaco de la figura 4-23). Se recomienda, además, una altura de agua de5 a 10 centímetros sobre los orificios.


Figura 4-21. Relación de la distancia máxima entre las canaletas de agua decantadaversus la profundidad de agua en función de la tasa de escurrimiento superficial (5)

d

h

4,0

3,0

2,0

1,0100 200 300

Velocidad ascensional

V m /m ds

3 2

dh


Aplicación 1. Recolección del agua decantada mediante tuberías perforadas

Veamos ahora el procedimiento de cálculo del sistema de recolección deagua decantada. Se ha elegido un sistema de tuberías de PVC perforadas por subajo costo y una tasa de 2 L/s x m debido a que en las pruebas de laboratorio sepudo ver que se forma un buen flóculo que precipita rápidamente. Véase el cua-dro 4-8.

Aplicación 2. Recolección mediante vertederos

Para el caso de decantadores pequeños, la solución mas económica es lade colocar vertederos perimetrales. En ese caso, el cálculo es más sencillo ytermina en el paso 2 del cuadro 4-8.

Después de calculada la longitud de los vertederos, debemos comprobarque el perímetro de la unidad sea igual o mayor que la longitud requerida. Si nocumple, colocaremos tres hileras de tuberías perforadas a lo largo de la unidad,que descarguen al canal de distribución a los filtros.

Tanto los vertederos como las tuberías se colocarán a una altura tal que lacapa de agua sobre el módulo de placas sea de un metro. En la medida en que sereduce esta altura, se debe disminuir la tasa de recolección, para evitar que laslíneas de flujo se arqueen y arrastren a los flóculos, para alcanzar el nivel desalida. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el módulo de placas es de0,65 m.

7. ZONA DE LODOS

Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema deevacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomenda-ble, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múl-tiple de extracción hidráulica y uniforme.

La otra solución que se desarrolla es la de tolvas continuas y extracciónhidráulica de los lodos mediante sifones.


7.1 Tolvas separadas y colector múltiple


• En las tolvas separadas, la separación entre orificios está dada por la con-figuración de las tolvas y el número de estas (figura 4-22).

• El volumen total de almacenamiento disponible en las tolvas está relaciona-do con la producción diaria de lodos. Normalmente se adopta un periodo dealmacenamiento de un día y la frecuencia máxima de descargas en épocade lluvia es de cuatro horas.

• Las mejores condiciones hidráulicas se consiguen “atolvando” los fondos,de modo que se tenga una tolva por cada boca de salida, con lo cual seconsigue, además, tener orificios de descarga de mayor diámetro, lo quedisminuye el riesgo de atoros. Como el lodo presiona el punto de salida, latolva se vacía totalmente (figura 4-22). La viga ubicada debajo de las pla-cas y las columnas se debe a que el módulo era de placas de asbesto-cemento.

• La pendiente de las tolvas debe estar entre 45° y 60° y la sección debe seraproximadamente cuadrada.

Figura 4-22. Tolvas separadas y colector múltiple (4)

Canal de inspección de los

colectores de lodos

Canal de distribución a

decantadores

Tapón

Canal de

distribución

a filtros

Tubos de PVC con

orificios

Colector

de lodos

Orificios

Válvula

mariposa

Canal de

desagüe

Decantador laminar


• El diámetro del colector múltiple se incrementa en función de su longitudtotal, y el diámetro es modificado por el número de orificios de extracción.

• La extracción de lodos debe ser equitativa y se puede admitir una desvia-ción máxima de 10%.

• La distribución del flujo entre los orificios depende de la relación entre lasuma de las secciones de todos los orificios de descarga (n Ao) y la seccióndel dren (A). Experimentalmente, se encontró que, para que la desviación(δ) de flujo entre los orificios extremos no sea mayor de 10%, R debe variarentre 0,40 y 0,42. Véase el ábaco de la figura 4-23.

R < 0,42 (12)

De acuerdo al ábaco de la figura 4-23, para que la desviación (δ) entre losorificios extremos del colector no sea mayor de 10%, se debe cumplir lasiguiente relación:

Figura 4-23. Canalizaciones con múltiples laterales (5)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.5 1.0 N AoA

1.5

Múltiple colector

Múlt

iple

de d

istrib

ución

Des

viac

ión

R =

0,50AALnδ ≤==


• El diámetro de los orificios sedetermina en función del diá-metro del dren (D), de la re-lación (R) y del número de ori-ficios (n).

7.1.2 Criterios dedimensionamiento

• El diámetro de los orificios dedescarga (d) se calcula me-diante la siguiente expresión:

d = x / 1,162 ( H0,5 / Va)0,5 (13)

Donde:

x = separación entre orificios de salida en m. Depende del número detolvas y de sus dimensiones

H = carga hidráulica en mV

a= velocidad de arrastre del lodo

Se recomienda establecer como velocidad mínima de arrastre en los puntosmás alejados de 1 a 3 cm/s

• El diámetro del colector de lodos (D) se determina mediante la siguienteexpresión:

(14)

Figura 4-25. Colector múltiple con orificios y tolvas separadas (5)

Figura 4-24. Sistema de tolvasseparadas (8)

R/N/d=D


Donde:

R = relación de velocidades entre el colector y los orificios de descargaN = número de orificios o de tolvasD = diámetro de los orificios en m

• El caudal de drenaje del colector (QL) se puede calcular mediante la si-guiente expresión:

QL = Cd . A . 2g h (15)

Donde:

Cd

= coeficiente de descargaA = sección del colector en m2

g = aceleración de la gravedad en m/s2

H = carga hidráulica en m

7.1.3 Aplicación

Consideramos el diseño de un decantador de 100 L/s de capacidad delejemplo anterior. El ancho total de estas unidades, teniendo en cuenta el anchototal del módulo de placas de 4,80 metros, el ancho del canal central de distribu-ción de agua floculada de 0,65 metros (calculado en el cuadro 4-7), más los muroslaterales de 0,15 metros, es de 5,75 metros. La unidad tiene 12 metros de largo,por lo que estamos considerando 3 tolvas de 1,50 metros de profundidad total.

En estas condiciones, los resultados del cálculo del cuadro 4-9 indican quela capacidad máxima de almacenamiento de las tolvas es de un día, el diámetrodel colector y de la válvula mariposa de descarga de lodos es de 28” y los orificiosde paso de las tolvas al colector, de 10”. Las instrucciones de operación queacompañen al proyecto deben indicar claramente que en la época de lluvias lafrecuencia máxima de descarga debe ser de 4 horas.

El esquema del decantador proyectado es similar al de la figura 4-22, soloque con tres tolvas y un solo colector para los dos módulos.


1Lo

ngitu

d de

lL

= 1

2m

x =

L /

Nx

= 1

2 / 3

;Lo

ngitu

d de

la b

ase

mde

cant

ador

x =

4m

ayor

de

cada

tol

va2

Núm

ero

de t

olva

sN

= 3

cons

-po

r de

cant

ador

tant

e

3A

ncho

tot

al d

elB

= 5

,75

mA

= b

x 1

A =

5,7

5 x

4Se

cció

n m

áxim

am

2

deca

ntad

orA

= 2

3de

la

tolv

a

4Pr

of. d

e la

sec

ción

h1 =

0,5

0m

V T1 =

A x

h1

x N

V T1 =

23

x 0,

50 x

3Vo

lum

en d

e la

par

tem

3

rect

a de

las

tol

vas

V T1 =

34,

5re

cta

de l

a to

lva

5Pr

ofun

dida

d de

lh

= 1

mV

T2 =

[1/

3 A

h] N

V T2 =

1/3

(23

) (1

) (3

)Vo

lum

en d

el t

ronc

om

3

tronc

o de

pirá

mid

eV T2

= 2

3de

pirá

mid

e de

lade

la

tolv

ato

lva

6Ta

sa d

e pr

oduc

ción

qL =

0,00

5L.

L/s

QL =

qL

. Qd

QL

= 0

,005

(10

0) =

0,5

Cau

dal d

e lo

dos

de lo

dos

(dat

o qu

e se

prod

ucid

os p

or l

aob

tiene

en

las

prue

bas

unid

ad e

n ép

oca

dede

lab

orat

orio

)llu

vias

7C

auda

l de

lodo

sQ

L = 0

,5L/

sF

= V

T / q

L (86

,4)

F =

(V T1

+V T2

)/0,

5 (8

6,4)

Frec

uenc

ia d

ed

prod

ucid

oF

= 1

,33

desc

arga

8Ve

loci

dad

de a

rras

treV a =

1cm

/sd

= x

/ [1

,162

( H

0,5 /V

a ) 0

,5 ]

d =

4/[

1,16

2 ((

4,0)

0,5 /0

,01)

) 0,5]

Diá

met

ro d

e lo

sm

d =

0,2

43;

orifi

cios

de

desc

arga

9C

arga

hid

rául

ica

H =

4m

d ≈

10”

pulg

adas

10Se

para

ción

de

x =

4m

orifi

cios

de

desc

arga

11R

elac

ión

deR

= 0

,42

D =

d/ (

R/N

)0,5

D =

0,

25 /

(0,

42/3

)0,5

Diá

met

ro d

el c

olec

tor

mve

loci

dade

s pa

ra u

naD

= 0

,71

múl

tiple

pulg

adas

desv

iaci

ón d

e 10

%D

= 2

8"

Uni

dad

Dat

osC

rite

rios

Cál

culo

sU

nida

dR

esul

tado

sC

anti

dad

Pas

o

Cua

dro

4-9.

Dim

ensio

nam

ient

o de

un

cole

ctor

múl

tiple

con

tolv

as se

para

das (

4)


7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas


• En las tolvas continuas el cálculo del espaciamiento es un poco más sofisti-cado, pues se debe tener en cuenta la esfera de influencia alrededor delorificio, dentro del cual la velocidad del flujo que confluye al punto de salidaes capaz de producir arrastre de partículas sedimentadas.

• El canal de descarga de lodos de la figura 4-26 debe dimensionarse demodo que el escurrimiento en su interior sea libre. En general, se requiereentrada y salida de aire, lo cual se consigue colocando una tubería de ven-tilación en los extremos. En estas condiciones, los colectores individualesdispuestos a lo largo del canal, descargarán libremente el lodo en el interiorde este, pues todos estarán sometidos a la misma carga hidráulica (h).

7.2.2 Criterios de dimensionamiento

• El caudal en un tubo corto está dado por la siguiente expresión:

q = Cd . A 2g h (16)

Figura 4-26. Canal de extracción de lodosmediante sifones (5)

Canal de descarga de lodos

Canal de distribución de

agua floculada

Canal de colecta de agua

decantada

Agua decantada

Agua floculada

Tubos de descarga de lodos


El coeficiente de descarga (Cd) se selecciona del cuadro 4-10, en funciónde la relación L/D, donde L es la longitud del sifón y D su diámetro.

Cuadro 4-10. Valores de Cden función de L/D

L/D Cd

300 0,33

200 0,39

100 0,47

90 0,49

80 0,52

70 0,54

60 0,56

50 0,58

40 0,64

30 0,70

20 0,73

• En el caso de la figura 4-26, se tiene una sola tolva continua en el sentidolongitudinal de la unidad, pero, como se puede apreciar en la figura 4-27,dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varias tolvas continuas.La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio deorificios en el fondo.

• Es necesario considerar elnúmero, diámetro y espa-ciamiento de los orificios dedrenaje.

• La distancia (x) entre los ori-ficios de descarga debe sertal que la velocidad mínimade arrastre de los lodos (Va)no sea menor de un cm/s.

• El canal debe funcionar conla superficie expuesta a la

Figura 4-27. Sistema de tolvascontinuas (8)

Orificios paraaspiración de

lodos


presión atmosférica, para que los sifones trabajen con descarga libre alcanal y la recolección se realice equitativamente, al estar todos los peque-ños sifones sometidos a la misma carga hidráulica (h) (figura 4-26).

• Distancia máxima entre tubos laterales de 0,90 m.

• Diámetro mínimo de los sifones laterales de 1 ½’’.

• Caudal mínimo por lateral de 3 L/s.

• Velocidad mínima en el lateral de 3 m/s.

• Para mantener el régimen de descarga libre en el canal, se debe diseñar unducto de entrada de aire con la sección adecuada, para que compense elvolumen de aire arrastrado por el agua.

7.2.3 Aplicación

El cuadro 4-11 presenta un ejemplo de aplicación de estos criterios aldimensionamiento de este sistema de recolección de lodos mediante sifones cor-tos y tolva continua (figura 4-26).

De acuerdo con los cálculos del cuadro 4-11, será necesario instalar 22sifones para tener una buena recolección de lodos. Las tolvas se llenarán en undía y medio en la época de lluvias y la válvula de descarga se abrirá durante 1,2minutos para que las tolvas se vacíen; durante este lapso se deberá cerrar elingreso de agua floculada para evitar cortocircuitos.

Debe instalarse, además, un tubo de ventilación a cada extremo del canal,para que haya circulación de aire en su interior.

7.3 Otros sistemas de descarga de lodos

7.3.1 Descarga mecánica automática

Se trata de válvulas automáticas que pueden ser accionadas mediante airecomprimido o agua, o bien por medio de un programador electrónico o electroválvulaque abre y cierra el circuito para descargar según intervalos programados o me-diante sifones de accionamiento mecánico y de carga automática (CLARIVAC). Lafigura 4-28 muestra un decantador laminar de un m3/s de capacidad operando conun sistema de extracción de lodos continuo de patente CLARIVAC.


Este sistema solo se recomienda para decantadores muy grandes y requie-re buenos recursos de operación y mantenimiento.

La figura 4-30 muestra el sifón fluctuante de diseño artesanal, y la figura4-31, el sistema patentado CLARIVAC.

Figura 4-30. Sifón fluctuante

Figura 4-29. Canal de descargadel sistema CLARIVAC

Figura 4-28. Sistema CLARIVAC deextracción de lodos

Canaleta de

lodos

Fondo del

decantador

Otro sifón

Orificios para

succión de

lodos

0,30

0,20

0,10

3,25

Nivel del agua


Colector

Protector

Tubo de sifón

Guía

Guía

Canal de

recolección

FlotadorVálvulas de control

de descarga

Flotador

Cable para

desplazamiento φ 1/8’’

Tirante

Figura 4-31. Sistema CLARIVAC

8. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES

Es todavía frecuente encontrar unidades nuevas diseñadas como las de laprimera generación, sin una estructura de entrada apropiada y sin un sistema deextracción de lodos hidráulico (figura 4-32).

En estas unidades todo el flujo ingresa por el inicio de la unidad y se distri-buye de acuerdo con la longitud de esta y la velocidad de paso por debajo de lasplacas. En las unidades largas normal-mente la mayor parte del caudal llegaal final y asciende levantando losflóculos.

También es frecuente encontrarque la longitud de recolección es muycorta y las pocas canaletas de reco-lección consideradas se encuentran to-talmente ahogadas.

Cuando la longitud de recolec-ción es muy corta, la velocidad de as-

Figura 4-32. Decantador de placasde la primera generación (4)


Cua

dro

4-11

. Cál

culo

del

sist

ema

de ex

trac

ción

de l

odos

med

iant

e sifo

nes

1D

iám

etro

del

sif

ónD

= 3

8m

mL

= L

s/DC

oefi

cien

te d

eL

= 2

,84/

0,03

8de

scar

gaLo

ngitu

d de

l si

fón

L s = 2

,84

mL

= 7

4,7

del

cuad

ro 4

-10

se o

btie

ne:

Cd

= 0

,53

2C

arga

H =

3m

q L = C

d A

2 g

hq L

= 0

,53(

0,00

11)

2(3)

9,8

Cau

dal q

uem

3 /shi

dráu

lica

q L =

0,0

0447

ó 4

,7pu

ede

extr

aer

oA

cele

raci

ón d

eg

= 9

,8m

/s2

cada

sifó

nL/

sla

gra

veda

d3

Secc

ión

de u

nA

= 0

,001

1m

2v

= C

d ( 2

gh)

0,5

v =

0,5

3 [2

(9,

8) (

3)]0,

5Ve

loci

dad

dem

/ssi

fón

de ø

1½

v =

4,0

6ex

trac

ción

4Ta

sa d

eT L =

5m

L/L

QL =

Q x

TL

QL

= 1

00 (

0,00

5)C

auda

l to

tal

deL/

spr

oduc

ción

de

lodo

QL

= 0

,5lo

do p

rodu

cido

Cau

dal d

e di

seño

Q =

100

L/s

5A

ltura

de

tolv

aH

4 = 2

m

= [

(b +

b1 )

/2]

H4 N

L

= [

(2,4

0 +

1,0

0)/2

] 2

Volu

men

de

m3

Núm

ero

de t

olva

sN

= 2

cons

tant

ex

10 x

2al

mac

enam

ient

oA

ncho

may

orb

= 2

,40

m

= 6

8de

lod

osLo

ngitu

d de

lL

= 1

0m

deca

ntad

or 6

F =

/

QL x

86,

4F

= 6

8 /

[0,5

(86

,4)]

Máx

ima

capa

cida

dd

F =

1,6

de a

lmac

enam

ient

odi

spon

ible

7D

ista

ncia

ent

rea

= 0

,90

mN

1 = 2

L/a

N1

= 2

(10

)/0,9

0N

úmer

o de

sifo

nes

N1 =

22

sifo

nes

8Fr

ecue

ncia

de

F 1 = 4

h 1 =

QL x

F1

1 =

0,5

x 4

x 3

,6Vo

lum

en p

rodu

cido

m3

desc

arga

idea

l 1 =

7,2

en 4

hor

as9

T =

(

/ qL)

x N

1 x

60T

= 7

,2/(0

,004

47 x

22

x 60

)D

urac

ión

de l

am

inT

= 1

,2de

scar

ga

Uni

dad

Cál

culo

sC

anti

dad

Res

ulta

dos

Dat

osU

nida

dC

rite

rios

∀

Pas

o

cons

tant

e

cons

tant

e

∀∀∀∀

∀

∀

∀


censión del agua es muy alta y arras-tra a los flóculos que tratan de depo-sitarse sobre las placas.

También son comunes los ca-sos en que un decantador conven-cional se convierte en decantador deplacas y el sistema de recolecciónpermanece igual, sin incrementarsede acuerdo con el mayor caudal quela unidad va a producir en adelante.

El decantador de placas de lafigura 4-34 no tiene un sistema de

recolección adecuado. Únicamente se colocó un vertedero al final de la unidad,como si se tratara de un decantador convencional de flujo horizontal.

En el caso del decantador de la figura 4-35, las tuberías de recolecciónestán mal colocadas y fuera del agua, con lo que se desperdicia gran parte de sucapacidad.

Otro defecto muy frecuente en este tipo de decantadores consiste en colo-car el sistema de recolección muy próximo al módulo de placas, sin respetar ladistancia recomendada de un metro ni la altura de agua mínima estipulada de 0,65metros (figura 4-36). Al colocar la salida tan próxima al módulo de placas, las

Figura 4-33. Decantador de placascon problemas de recolección (4)

Figura 4-34. Decantador de placas sinsistema de recolección apropiado (4)

Figura 4-35. Sistema de recolecciónmal instalado (4)


líneas de flujo se arquean mu-cho para alcanzar la salida yarrastran a los flóculos, lo queempobrece la calidad delefluente del decantador.

En la figura 4-37 se pue-de apreciar el arrastre deflóculos a la superficie deldecantador. En este caso, se su-maba el problema de que losdecantadores habían sido pro-yectados con una tasa demasia-do alta, consecuencia de no ha-

ber realizado un buen estudio detratabilidad del agua antes de ejecutarel proyecto. Si estamos adivinandocuál es la tasa ideal para tratar unadeterminada agua, será difícil que de-mos en el clavo.

Otro defecto muy común es con-siderar un decantador convencionalseguido de uno laminar sin estructu-ras de entrada y salida adecuadas. Enla figura 4-38 se puede apreciar un

proyecto de este tipo; se observa queno hay una estructura de salida deldecantador convencional y que el aguaingresa directamente por debajo delmódulo de decantación sin una estruc-tura de distribución uniforme. En estoscasos, el decantador convencional esapenas un tanque de paso y la eficien-cia es prácticamente nula. Figura 4-38. Decantadores

convencional y laminar en serie (4)

Figura 4-36. Sistema de recolecciónsobre los módulos de decantación (4)

Figura 4-37. Arrastre de flóculos enla superficie de los módulos (4)


En la figura 4-39 se puedeobservar otro caso similar: undecantador convencional sin es-tructuras de entrada y salida ade-cuadas, seguido de un decantadorlaminar sin estructura de entrada.Nuevamente, el agua pasa deldecantador convencional directa-mente por debajo del módulo deplacas.

Figura 4-39. Decantadores convencionaly laminar en serie (4)


REFERENCIAS

(1) Richter, Carlos. Decantación. Curitiba, SANEPAR, 1986.

(2) Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores deplacas inclinadas. Cali, ACODAL 89, 1979.

(3) Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Optimización dela producción de plantas de tratamiento de agua mediante el Progra-ma de Corrección Compuesto. Lima, CEPIS/OPS, 1998.

(4) Canepa de Vargas, L. Proyectos y fotos de archivo. Lima, CEPIS, 1990-2003.

(5) Richter, Carlos. Dispositivos de entrada y salida para decantadores.Curitiba, SANEPAR, 1984.

(6) Di Bernardo, L. Metodos e Tecnicas de Tratamento de Agua. Volume 1.Rio de Janeiro, ABES, 1993.

(7) Programa HPE/CEPIS/OPS de Mejoramiento de la Calidad del Agua paraConsumo Humano. Manual V. Criterios de diseño. Lima, CEPIS, 1992.

(8) Arboleda Valencia, Jorge. Teoría y práctica de los sedimentadores dealta rata. Memorias del Seminario Internacional sobre Tecnología Sim-plificada para Potabilización del Agua. Cali, ACODAL-Seccional Valledel Cauca, 1987.

(9) Arboleda, J. Teoría, diseño y control de los procesos de clarificacióndel agua. Serie técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1973.

(10) Pérez Carrión, J. M. Submódulo: Sedimentadores convencionales. Mó-dulo 4.5.1. Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de laCalidad del Agua para Consumo Humano. Lima, CEPIS /OPS, 1981.

(11) Canepa de Vargas, L. M. Submódulo: Sedimentación. Lima, CEPIS/OPS,1981.


(12) Azevedo Netto, J. M. “Experiencia brasileña en el diseño de sedi-mentadores”. Simposio sobre nuevos métodos de tratamiento de agua.Asunción, 14-18 de agosto de 1972. Serie Técnica 14. Lima, CEPIS, 1975,pp. 90-129.

(13) Gomella, G. y H. Guerre. Tratamiento de aguas para abastecimientopúblico. Editores Técnicos Asociados, 1977.

(14) Hudson, M. E. “Sedimentation”. AWWA Seminar on Upgrading ExistingWater Treatment Plants. Boston, 15-16 de junio, 1974. Denver, AWWA,1974, pp. 67-78.

(15) Pérez Carrión, José. Submódulo 4.5.2. Sedimentadores laminares.Programa Regional OPS/HPE/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad delAgua. Lima, CEPIS/OPS, 1981.

(16) Pérez Carrión, José. Sedimentadores laminares. Manual del Curso sobreTecnología de Tratamiento de Agua para Países en Desarrollo. Lima, OPS/CEPIS/CIFCA, 1977.

(17) Hudson, Herbert. Water Clarification Processes, Practical Design andEvaluation. Nueva York, Van Nestrand Reinhold, 1981.

(18) Di Bernardo, Luiz. Sedimentación convencional y laminar. Ms.

Planta Rapida

Documents

Transcript of Planta Rapida