Clarificadores_de_manto_de_Lodos_2012.pdf

Plantas de Potabilizacin Con

Clarificadores Unidades de Contacto en Manto de Lodos

Reactores

Clarificadores Tipo

Manto de Lodos

Docente

Camilo Hernn Cruz V.

rea de Ingeniera Sanitaria y Ambiental

DESCRIPCIN DE LOS CLARIFICADORES

Un clarificador de contacto en manto de lodos es una unidad de tratamiento

generalmente de flujo vertical en la cual se combinan los procesos de coagulacin (en

algunas ocasiones), pero mas generalmente los de floculacin y

sedimentacin.

Plantas de Potabilizacin Con Clarificadores

Unidades de Contacto en Manto de Lodos

Aplicacin de los Clarificadores

Manejan cargas superficiales 2 o 3 veces superiores a floculadores y sedimentadores

convencionales

Producen aproximadamente el 70% del agua potable de Cali.

Producen el 50% del Agua Potable de Taiwn





Historia

En 1869 SILLAR & WIGNER, lodo precipitado qumicamente es capaz de hacer precipitar

Tanque Dortmund en 1880, que an hoy se emplean en

algunas plantas de aguas residuales y en la industrias del

papel

1892, ARCHBUTT & DEELEY patentan un sistema

combinado de dos compartimentos

Desde 1950, Diferentes ideas combinan las zonas de

floculacin y sedimentacin .

AplicacinAguas con grandes cantidades de material en suspension. (alta

turbiedad)

Cuando la calidad del agua y las condiciones de carga (caudal)

varan en gran extensin y en tiempos reducidos

Aguas agua a tratar contiene una gran cantidad de partculas

coloidales, micras de tamao o slidos disueltos (significativo color y

baja turbiedad)



Ventajas

Diseo econmico y compacto.

Remocin de lodos ms fcil que en tanques

horizontales.

Altas eficiencias de clarificacin debidas a:

.Baja velocidad de entrada

.Efecto precipitante de lodo preformado

.Filtracin a travs de la capa de lodo





Desventajas

Mayor necesidad de control que en unidades horizontales

convencionales.

Rpida prdida de eficiencia durante sobrecargas

hidrulicas y de perodos de sobrecarga de lodos.

Necesidad de mayor control operacional cuando el agua

exhibe continuas fluctuaciones de temperatura o turbiedad

en rangos muy amplios.



Componentes de un clarificador

Entrada de agua cruda.

Zona de mezcla secundaria y gradiente de reaccin.

Zona de concentracin de lodo.

Zona de decantacin con sistema para recoger agua.

Construccin circular o al menos lo ms simtrica posible (Ej. Cuadrada)

Recirculacin de lodo, con el fin de favorecer la floculacin y la coagulacin de barrido

CONCEPTOS ACEPTADOS SOBRE SU OPERACIN (1)

Los principios de floculacin ortocintica y gradiente de

velocidad rigen los diseos.

Los mecanismos simultneos de agregacin y quiebre

intervienen en la floculacin a travs de la mezcla (Gradientes de

velocidad).

Es necesario un tiempo mnimo para iniciacin de formacin del

floculo.

Reactores subsecuentes, especialmente cmaras de mezclado

escalonadas mejoran la floculacin.




Reactores subsecuentes, especialmente cmaras de mezclado

escalonadas mejoran la floculacin.

Reacciones fisicoqumicas a travs del contacto hacen posible

reducir la dosis de coagulante, inclusive permitiendo

intermitentes cortes de la dosis (Ej. Por 10 o 15 minutos), sin

alterar los resultados de la operacin.

Una suave sobredosis puede cubrir accidentales interrupciones

de la dosificacin qumica, por un perodo suficiente para reparar

el equipo dosificador.




El nmero de partculas retenidas es inversamente proporcional

a la velocidad ascensional, al producirse arrastre de una mayor

cantidad de partculas por el flujo y se suele producir mayor

ruptura del floculo por esfuerzos cortantes.

A igualdad de otras condiciones, la eficiencia en remocin de

turbiedad de un clarificador es directamente proporcional a la

profundidad del manto de lodos.

La remocin de color no depende de las caractersticas fsicas

del manto, sino de la eficiencia del proceso qumico de

desestabilizacin y por lo tanto la reduccin de color es

independiente de la concentracin del manto y de la velocidad

ascensional de la unidad.



Condiciones recomendadas para mezcla rpida mecnica*.

Mezcla Rpida

Mecanismos

T (s)

G (s-1 )

GT [-]

Barrido Adsorcin-Neutralizacin

10-60

10-35

200-800

700-800

20.000-800000

40000-120000*

(*) Para mezcla en resalto hidrulico se recomienda tiempo inferior a un segundo preferiblemente menor de 0,5 s. y Con un gradiente lo ms alto posible.





TIPO DE

CLARIFICADORES

CARACTERISTICAS

1. Ascendentes Simples (Radiales) Floculacin hidrulica: no requiere energa

No patentadas

2. Reactor Clarificador Mezclador

Floculacin mecnica: requiere energa

Patentados

3. Reactor de Manto de Lodos:

Pulsante o de vaco.

De separacin qumica (coagulacin, floculacin, sedimentacin)

De agitacin simple

Mezclador mecnico + manto de lodos: requiere energa

Patentados



Criterios de Diseo de Clarificadores de Contacto

CARACTERISTICAS Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Carga Superficial [m/h] 1.5 - 1.9 2.1 - 3.1

2.1 - 4.2

2.1 3.1 5.4 7.2

(Aadiendo

polvillo 2 5 kg/m

3 )

Profundidad de agua [m] 3.0 5.0

Tiempo de Sedimentacin [min] 60.0 80.0 60.0 120.0 60.0 120.0

Carga sobre Vertederos [m3/m/h] 7.1 7.3 14.6 7.3 14.6

Velocidad Ascendente [m/h] >3 >3

Tasa de Recirculacin [m/h] (3.0 5.0) Q

Tiempo de Floculacin [min] 20.0 30.0 20.0 30.0



CARACTERISTICAS Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3

Lodos en zona

Floculacin [%] (15 min

sedimentacin)

5.0 20.0

Altura Capa de Lodos

[m]

2.0 3.0

1.0 3.0

Tipo de Agua Blanda, baja

turbiedad, alta

turbiedad.

Velocidad de Rotacin

Barre Lodos [rpm]

1.0 2.0

Concentracin slidos

Manto [%]

2.0 10.0

Rotacin Floculacin

mecnica [rpm]

6.0 20.0

Criterios de Diseo de Clarificadores de Contacto (2)

CARGAS HIDRAULICAS Kawamura, (2004) CH = 48 - 72 m3/m2-d

Arboleda, (2000) CH = 45 - 60 m3/m2-d

Degremont, (1985) CH = Mximo 48 m3/m2-d

Mongomery, (1985) CH = 50 - 75 m3/m2-d



Mongomery y Kawamura se refieren a Mongomery y Kawamura se refieren a Clarificadores de Contacto en los que Clarificadores de Contacto en los que generalmentegeneralmentela floculacin es producida por agitacin mecnica.la floculacin es producida por agitacin mecnica.

CARGAS HIDRAULICAS EN RUSIA



SSlliiddooss SSuussppeennddiiddooss eenn AAgguuaa

CCrruuddaa yy CCooaagguullaannttee VVeelloocciiddaadd

vveerrttiiccaall

llmmiittee ((mm//hh))

CCoonncceennttrraacciinn

ddeell mmaannttoo ddee

LLooddooss ((mmgg//ll))

AAllttuurraa ddeell

mmaannttoo

((mm))

1) SS < 100 mg/l sulfato de aluminio coagulante frrico

2) 100 < SS < 400 mg/l sulfato de aluminio coagulante frrico 3) 400 < SS < 1.000 mg/l sulfato de aluminio coagulante frrico 4) 1.000 < SS < 2.000 mg/l sulfato de aluminio coagulante frrico

2,15 a 2,85 2,5 a 3,85

2,85 a 3,25 3,25 a 3,60

3,25 a 3,60 4,00 a 4,30

3,60 a 4,00 4,00 a 4,30

260 a 600 300 a 600

600 a 1200 700 a 1400

1000 a 2000 1100 a 2200

1900 a 6000 2200 a 7500

2

2

2

2



Cintica y

Modelacin

floculacin y

sedimentacin de

contacto

Docente





Cul es el efecto de

diferentes variables en la

operacin de clarificadores

de contacto?

Cul es el efecto de las

caractersticas de la

suspensin (manto) en la

eficiencia de clarificacin?

Docente





Modelo de manto de Lodos

Evaluacin y Optimizacin de Operacin de

Clarificadores Tipo Manto de Lodos

Sobrenadante

Manto de lodos

En el manto ocurre

una sedimentacin

interferida (tipo 3)

El manto es una capa

de partculas de

diferente tamao y

densidad

En el manto se comporta

Como un lecho fluidizado

La sedimentacin

Interferida y la

fluidizacin de flocs son

hidrodinmicamente

similares




Sobrenadante

Manto de lodos

En el manto ocurre

una sedimentacin

interferida (tipo 3)

En la sedimentacin tipo 3

La velocidad de cada de

cada partcula es interferida

por la concentracin

de slidos

Se desarrolla una

Interfase entre el liquido

y las partcula

La velocidad de cada

de la interfase puede ser

entre un tercio y la mitad

de la velocidad de

la partcula

sin interferencia



Sobrenadante

Manto de lodos

Gould (1974) recomienda utilizar la ecuacin Barnea

y Mizrahi (1973) para calcular la velocidad de

sedimentacin interferida:

Vsi = V0 ( 1- qC*)n (2)

Donde:

Vs es la velocidad de sedimentacin interferida .

(de la suspensin o interfase)

Vo :Velocidad de sedimentacin de partcula

solitaria

q :un factor de forma y concentracin medida

C* :la concentracin del manto medida despus de

. un tiempo de 30 minutos de sedimentacin

n : constante exponencial

CINETICA DEL MANTO EN CLARIFICADORES(1)

Tesarik (1967) estudi el funcionamiento de una suspensin

simulando un clarificador de manto. Estableci que bajo un cierto

valor de velocidad de entrada, la sedimentacin toma lugar y el

floc se acumul en el fondo de la columna.

Ives (1968) remocin de partculas en manto de lodos.

donde : n1y n0 el nmero de partculas entrando al tanque y despusde un tiempo t

G: gradiente de velocidad

C: concentracin de la suspensin






Gregory, (1979) la tasa de remocin de partculas primarias que

entran al clarificador dependen de la concentracin del manto.

Simulando como un reactor de tanque de agitacin continua (CSTR).

El balance de masa ser :

Donde:

X es la concentracin de slidos sedimentables (30 min) saliendo del clarificador

Xi es la concentracin slidos sedimentables (30 min) entrando al clarificador

Q es la rata e flujo de entrada; V es el volumen del tanque

A es el rea superficial del tanque; L es la altura del tanque

vs es la velocidad de sedimentacin de las partculas primarias entrando al tanque

Kfl es el factor de flotacin, refleja la eficiencia de colisin de los flocs

XV

AVs

L

CkXX

V

Q

dt

dX ifli )()(




Los slidos entrando al clarificador pueden ser calculados de la

concentracin de slidos suspendidos en el agua cruda y la dosis de

coagulante (Warden y Craft, 1980)

Donde:

X cruda es la concentracin de slidos suspendidos del agua cruda (mg/l)

(aproximadamente 2 veces la turbiedad del agua cruda en NTU)

DAl es la dosis de un coagulante basado en Aluminio ( mg/l Al+3)

DFe es la dosis de un coagulante ferrico (mg/l Fe+3)

Crem es el color removido debido a la adicin de coagulante (Hazen)

DPoly es la dosis de polielectrolito (mg/l), si se usa

DPAC es la dosis de carbn activado en polvo (mg/l), si se usa

Xi = X cruda + 2.9 DAl + 1.9 DFe + 0.2 Crem + Dpoly + DPAC


Gregory et al (1979) la velocidad de sedimentacin del manto

depende la concentracin de los slidos.

El producto de la concentracin en masa o volumen (C) por la

velocidad de sedimentacin del manto Vss se define como el

flujo de masa o volumen de los solidos (Fm o Fv).

donde : Vss velocidad de sediementacion del manto (m/h)C: concentracion del manto V/V (%)a la media hora



CVF ssv *



Flujo de partculas y concentracin de la suspensin

Sedimentacin

No Interferida

Sedimentacin

interferida

Sedimentacin

comprimida


Could (1973), Propone un modelo que asume que las

variaciones de la altura del manto H (m), es controlada por la

velocidad ascendente U, (m/h) y la velocidad de sedimentacin

vsed (m/h)

La ecuacin representa el balance de masa en el manto si la

concentracin de floc no cambia con la velocidad ascendente.

Gregory et al (1979), La calidad del agua tratada depende de la

concentracin del slidos en el manto, el cual depende de la

velocidad ascendente. La tasa de remocin de partculas

entrando al reactor depende de la concentracin de slidos del

manto.



sedvUdt

dH

-9.5

-9.0

-8.5

-8.0

-7.5

-7.0

-6.5

-6.0

-5.5

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

0 %

1 %

4 %

9 %

9 %

14 %

23 %

13 %

9 %

9 %

1 %

3 %

6 %

9 %

11 %

1 %

2 %

3 %

6 %

8 %

10 %

10 %

0 %

7 %

11 %

22 %

16 %

11 %

13 %

13 %

16 %

19 %

14 %

0 %

11 %

18 %

22 %

28 %

10 %

13 %

20 %

20 %

31 %

32 %

35 %

22 %

14 %

22 %

24 %

28 %

14 %

22 %

25 %25 %

30 %30 %

22 %

m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 m10 m11 m12

11 %

11 %

3 %

10 %

20 %

22 %

25 %

25 %

25 %

25 %

13 %

21 %

26 %

19 %

16 %

20 %

21 %

16 %

1 %

8 %

18 %

3 %

10 %

20 %

21 %

21 %

23 %

26 %

30 %

20 %

24 %

28 %

30 %

30 %

Concentracin del manto en clarificadores

planta de Puerto Mallarino

Pro

fun

did

ad

(m

)




Gregory et al (1979) el manto se comporta como un lecho

fluidizado. Luego:

donde : * volumn de solidos sedimentados a la media hora (con datos de agua coagulada con sulfato de aluminio)

Vs: velocidad de sedimentacin del manto

Vo: velocidad ascendente del agua

Gregory et al (1999) La teora para sedimentacin interferida y

la fluidizacin de partculas de diferentes tamaos y densidades

como ocurren en los mantos de los clarificadores es muy

compleja y aun se encuentra en desarrollo.



*)5.21(Uvss

CINETICA DEL MANTO EN CLARIFICADORES (5)

Head et al(1997) modelan la remocin de partculas

entrando a un reactor utilizando la teora de flujos.

Donde:

L(m) es altura del tanque

Xi (mg/l) concentracin de slidos entrando al tanque

Vss (m/h) velocidad de sedimentacin partculas primarias

Kfl (1/h) constante de floculacin

El modelo asume que el manto es una tanque perfectamente

mezclado



)()( XvcHXkXXUdt

dXL ssfli



Mximo Mnimo Promedio

Temperatura

(oC)

21 3.5 11.7

p H 8.4 7.7 8.1

Turbiedad (FTU) 35 0.41 3.0

Color (o

Hazen) 27.8 3 6.4

Hierro total

(mg Fe +3

/l)

0.82 0.01 0.09

Figura N 6 . Validacin de modelo de simulacin datos de la Planta en

Inglaterra

Pro

fun

did

ad

(m

)



Figura No. 1 Comparacin de la Prediccin del Modelo de la Concentracin

del Manto con los Datos de la Planta


Chen et al(2003), El manto presenta diferentes concentraciones

e inestabilidades ascendentes durante errores en dosificacin

de la coagulacin.

Su et al(2004) El modelo de Ives sobreestima la remocin de

partculas y predice una distribucin no real de la concentracin

de slidos en el manto.

Cheng et al(2003) sugieren que las deficiencias en

clarificadores en Taiwan que pierden su manto de lodos en

bruscos cambios de la calidad del afluente, son explicables por

materia orgnica que ocasiona inestabilidad en el manto.








Sobrenadante

Manto de lodos


Un conocimiento mas profundo de la cintica de la floculacinen una suspensin de lodo es necesaria para un mejor control

de un manto estable con una satisfactoria eficiencia de

remocin de partculas en clarificadores Su et al(2004).

Su et al(2004), Proponen un modelo unidimensional que

describe la variacin de la concentracin de slidos en el manto.





Produccion de manto a diferentes velocidades e igual dosis de coagulante (Su et al,2004)


Su et al(2004), Demuestran con su modelo que la estabilidad

del manto depende de la dosis aplicada, y que para optimizar la

remocin de partculas en el clarificador ms que trabajar con

una concentracin maximizada de slidos y una velocidad

ascendente mxima como sugiere Gregory et al (1996), se debe

trabajar con una velocidad ascendente optimizada menor que la

mxima posible.





Expansin del manto y levantamiento a diferentes dosis de coagulante(Su et al,2004)

U(m/h)



Variacin de Expansin del manto a diferentes velocidades ascendentes(Su et al,2004)



Planta Puerto Mallarino





Agua Ro Cauca Planta de Puerto Mallarino





Estudio a Escala de Laboratorio planta de Puerto Mallarino



Estudio a Escala de Laboratorio planta de Puerto Mallarino

0 50 100 150 200 250

Turbiedad agua cruda (UNT)

0

2

4

6

8

10

12P

rod

ucci

n d

e l

od

os e

n m

l/l

Agua Cruda Tratada con Alumbre Pto Mallarino

Operacin de clarificadores

planta de Puerto Mallarino condicin estable perodo lluvias



Operacin de clarificadores

planta de Puerto Mallarino condicin inestable perodo lluvias



La Efectividad de Clarificadores de Contacto Depende de:

Parmetros Fsicos de operacin

* Concentracin de slidos en zona de floculacin

* Altura y concentracin lodos en zona de sedimentacin

* Concentracin, cantidad de lodos de purga

Caracterstica Fsicas del Agua Tratada

* Slidos suspendidos en agua afluente

* Slidos formados por la dosis de coagulante

* Slidos aportados por otros reactivos

Qumica Superficial de Partculas y del Manto es Afectada

por Composicin Qumica del Agua

* pH

* Fuerza Inica

* Materia Orgnica Disuelta



-9.5

-9.0

-8.5

-8.0

-7.5

-7.0

-6.5

-6.0

-5.5

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

0 %

1 %

4 %

9 %

9 %

14 %

23 %

13 %

9 %

9 %

1 %

3 %

6 %

9 %

11 %

1 %

2 %

3 %

6 %

8 %

10 %

10 %

0 %

7 %

11 %

22 %

16 %

11 %

13 %

13 %

16 %

19 %

14 %

0 %

11 %

18 %

22 %

28 %

10 %

13 %

20 %

20 %

31 %

32 %

35 %

22 %

14 %

22 %

24 %

28 %

14 %

22 %

25 %25 %

30 %30 %

22 %

m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 m10 m11 m12

11 %

11 %

3 %

10 %

20 %

22 %

25 %

25 %

25 %

25 %

13 %

21 %

26 %

19 %

16 %

20 %

21 %

16 %

1 %

8 %

18 %

3 %

10 %

20 %

21 %

21 %

23 %

26 %

30 %

20 %

24 %

28 %

30 %

30 %

Concentracin del manto en clarificadores

planta de Puerto Mallarino

Pro

fun

did

ad

(m

)





Planta Ro Cauca





Dosis de Coagulante y Turbiedad del agua

Planta Ro Cauca. Escala Real



Dosis de Coagulante, turbiedad cruda y clarificada

del agua reactor 4 Planta Ro Cauca



Dosis de Coagulante, turbiedad cruda y clarificada

del agua reactor hidrulico 4 Planta Ro Cauca

Clarificador Hidrulico





Clarificador Hidrulico Vertical (CHV), Manual de Operacin y

Mantenimiento de la Planta de Tratamiento Ro Cauca. EMCALI 1995.



Dosis y efluente de manto (Sung et al, 2005))



Figura 2.3 Clarificador Mecnico Vertical (CMV), Manual de Operacin y

Mantenimiento de la Planta de Tratamiento Ro Cauca. 1995.



Clarificador Hidrulico Planta Ro Cauca)

Documents

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