Capítulo 3/17

3.3. PRETRATAMIENTO

3.3.1.- CONSIDERACIONES GENERALES

Las operaciones de pretratamiento incluyen desbaste, desarenado y

desengrasado.

1. Desbaste

Objetivo: Retener los sólidos gruesos presentes en el agua residual.

Dotación/Equipos: Rejas y/o tamices en serie ubicados en un número determinado de

canales (tantos como líneas de tratamiento se establezcan), dotados cada uno de ellos

de aislamiento por compuertas y sistemas de recogida de los residuos generados

(tornillos de transporte o cintas transportadoras, compactador y contenedor).

2. Desarenado/Desengrasado

Objetivo:

Desarenado: Eliminar las materias pesadas de granulometría superior a 200 micras,

con el fin de evitar sedimentaciones en los canales y conducciones, proteger las

bombas y otros aparatos contra la abrasión y evitar sobrecargas en las fases de

tratamiento siguientes. Bombas de extracción de arenas. Sistemas de recogida y

concentración de residuos (Lavador/Clasificador de arenas, contenedor).

Desengrasado: Eliminar grasas, aceites, espumas y materias flotantes más ligeras que

el agua para evitar interferencias en procesos posteriores.

Equipos/Dotación: Canal desarenador/desengrasador, con puente dotado de barredera

superficial para arrastre de grasas y extractor de arenas que vierte a canal de

recogida. Sistema de inyección de aire. Sistemas de recogida y concentración de

residuos (concentrador de grasas, contenedor).

Capítulo 3/18

El diagrama de proceso responderá básicamente a una distribución del tipo:

3.3.2. CÁLCULOS FUNCIONALES Y DIMENSIONAMIENTO

A. Desbaste. Rejas de barras

Cálculos funcionales

Los parámetros de diseño en el cálculo de las rejas son velocidad de paso

entre barrotes y ancho del canal.

A continuación se muestran las principales características a tener en cuenta

en el proyecto de instalaciones de rejas.

Capítulo 3/19

Características Limpieza Manual Limpieza Automática

Tamaño de los barrotes

Anchura (mm) 5-15 5-15

Profundidad (mm) 25-37,5 25-37,5

Luz entre barrotes (mm) 25-50 15-75

Pendiente en relación a la vertical (grados) 30-45 0-30

Velocidad de aproximación (m/s) 0,3-0,6 0,6-1,1

Pérdida de carga admisible (mm) 150 150

Las rejas de barras pueden admitir limpieza automática o manual. Por

razones de mantenimiento y explotación es recomendable evitar la colocación de

rejas de limpieza manual. Existen en el mercado rejas para dimensiones de 500

hab.eq. porvistas de sistema automático de limpieza y extracción de residuos a

un contenedor con excelentes resultados. El automatismo del sistema limpiador

puede ser regulado por intervalos de tiempo fijo o por intervalos de tiempo

modificados en función del grado de colmatación.

En los casos en los que se utilicen rejas de limpieza manual, su longitud

no debe exceder de la que permita su correcta limpieza (unos 3 m). Los barrotes

no suelen exceder los 10 mm de anchura por 50 mm de profundidad. En la parte

superior de la reja, deberá colocarse una placa perforada para que los objetos

extraídos se puedan almacenar temporalmente para su drenaje.

El canal donde se ubica la reja se debe proyectar de modo que se evite la

acumulación en el mismo de arenas y demás materias pesadas, tanto antes como

después de la reja. Para ello habrá que prestar especial atención a la pendiente y a la

velocidad de aproximación del agua por el canal. La pendiente deberá ser horizontal

o descendiente en la dirección de circulación a través de la reja, sin baches o

imperfecciones en las que puedan quedar atrapados algunos sólidos. Preferiblemente

el canal deberá ser recto y perpendicular a la reja, con la finalidad de conseguir una

Capítulo 3/20

distribución uniforme de sólidos en el flujo y la reja. Para reducir al mínimo la

decantación de sólidos en el canal, se recomiendan velocidades de aproximación

superiores a 0,4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso a través de las barras no

deberá ser superior a 0,9 m/s para evitar el arrastre de basuras a través de las rejas.

En la mayoría de las plantas se suele disponer de un mínimo de dos unidades

de rejas automáticas de modo que sea posible dejar una de ellas fuera de servicio

para realizarse labores de mantenimiento. Siempre es conveniente la instalación de

compuertas de canal aguas arriba y abajo de cada reja, de modo que sea posible dejar

la unidad en seco. Si sólo se instala una unidad, es imprescindible incorporar un

canal de bypass con una reja de limpieza manual para su uso en casos de emergencia.

El proceso de cálculo requiere determinar el número de canales que son

necesarios para mantener los parámetros citados.

El ancho de canal, será único para las distintas unidades de desbaste

instaladas en serie: Reja de gruesos, de finos, tamices.

Por tanto habrá que calcular:

* Ancho de canal para reja de finos

* Ancho de canal para reja de gruesos

* Ancho de canal para el tamiz

* Ancho de canal definitivo, eligiendo los datos de la instalación, que en

función de los resultados anteriores, requiera un ancho mayor.

Finalmente será necesario comprobar que la velocidad de acercamiento del

agua por el canal, entra dentro de los límites establecidos.

Para desarrollar el proceso citado, pueden emplearse las siguientes fórmulas:

• Ancho útil de canal para reja de finos/gruesos (Fórm.1)

Capítulo 3/21

Donde:

Au = Ancho útil del canal de reja de finos/gruesos (m)

A = Ancho del canal (m)

E = Distancia entre barrotes (mm)

e = Espesor de barrotes (mm)

c = Coeficiente de atascamiento (*) *(Suele calcularse para un 30% de colmatación, por lo que c=0,7)

 

Ancho definitivo de canal (Fórm.2):

 

Siendo:

A = Ancho de canal (m)

Q = Caudal de paso (m3/s)

nº = Número de canales

v = Velocidad de paso (m/s)

h = Altura de la lámina de agua (m)

E = Distancia de la lámina de agua (m)

El calado máximo en el canal de rejas vendrá dado por la expresión (Fórm.3):

Siendo:

C = Calado máximo (m)

Q = Caudal de paso (m3/s)

nº = Número de canales

cx

EeEx

hxvxnQA 1

º+

=

AuxvxnQC

º=

ceE

EAAu **+

=

Capítulo 3/22

v = Velocidad de paso (m/s)

Au= Ancho útil del canal (m)

Finalmente, la velocidad de acercamiento a las rejas será (Fórm.4):

Siendo:

v = velocidad de acercamiento (m/s)

Q = Caudal de paso por el canal (m3/s)

Au=Ancho útil de canal (m)

h =Altura de la lámina de agua (m)

 

Dimensionamiento

Los canales de desbaste son de sección transversal rectangular, habiendo

quedado definidos en el apartado anterior su anchura y el calado del agua. Puede

prevérseles un resguardo de entre 30 y 50 cm. El cálculo de la línea piezométrica

definirá la cota de solera del canal. 

 

B. Tamices

Con el objetivo de desarrollar la misma función, se tiende actualmente a la

instalación de tamices, provistos de una malla fina.

El tamizado consiste, en definitiva en una filtración sobre un soporte mucho

más delgado que unas rejas a las que puede sustituir o complementar afinando su

función. Normalmente las aberturas de los tamices oscilan entre 0,2 y 0,6 mm

(Macrotamizado). El microtamizado (sobre tela metálica o plástica de malla inferior

a 100 micras) tiene una aplicación limitada en aguas residuales, tan sólo en algunos

casos para mejorar el agua efluente de una planta pensado en una reutilización.

hxAuxnQv

º=

Capítulo 3/23

El uso de estos tamices queda únicamente limitado por la pérdida de carga que

introducen, superior a la de las rejas.

Existen básicamente dos tipos de tamices, rotatorios y estáticos.

La formulación definida para el desbaste con rejas es igualmente aplicable a

tamices.

C. Desarenadores

Cálculos funcionales

El diseño del desarenador se realiza en base al análisis de los fenómenos de

sedimentación de partículas granuladas no floculantes las cuales sedimentan

independientemente unas de otras, no existiendo interacción significativa entre las

más próximas. El estudio de las velocidades de sedimentación se puede realizar

utilizando las fórmulas de Stokes (en régimen laminar), de Newton (en régimen

turbulento) de Allen (en régimen transitorio). Deben aplicarse algunas correcciones

para tener en cuenta:

*La forma de las partículas (factor esfericidad)

*La concentración de sólidos en suspensión

*La velocidad de flujo horizontal

*La temperatura del agua residual

En la práctica se pueden tomar como base los datos válidos en sedimentación

libre para, partículas de arena de densidad 2,65, temperatura del agua de 15,5ºC y

eliminación del 90%.

Capítulo 3/24

Diámetro de las partículas eliminadas Velocidad de sedimentación

0,150 mm 40-50 m/h

0,200 mm 65-75 m/h

0,250 mm 85-95 m/h

0,300 mm 105-120 m/h

Si el peso de la arena es sustancialmente menor de 2,65 deben usarse

velocidades de sedimentación inferiores a las expuestas en el cuadro anterior.

El diseño del desarenador será efectivo si además de lograr la extracción de

las arenas descritas con suficiente rendimiento, consigue que éstas sean realmente

elementos minerales, cuyo contenido en materia orgánica sea ínfimo. Para evitar que

la materia orgánica de granulometría similar a la de las arenas sedimente con ellas se

diseñan los desarenadores de forma que se asegure en ellos un "barrido o limpieza

de fondo". Este fenómeno, se explica por el hecho de que existe una velocidad crítica

del flujo a través de la sección, por encima de la cual las partículas de un tamaño y

una densidad determinadas, una vez sedimentadas, pueden de nuevo ser puestas en

movimiento y reintroducidas en la corriente. Para partículas de 0,200 mm de

diámetro y peso específico de 2,65 la velocidad crítica de barrido es 0,25 m/s,

adoptándose en la práctica a efectos de diseño una velocidad de 0,30 m/s.

Manteniendo esta velocidad, se consigue que las arenas extraídas tengan un

contenido en materia orgánica menor del 5%.

Dos técnicas son la base de los procedimientos utilizados en la separación de

arenas: La separación natural por decantación en canales o depósitos apropiados y la

separación dinámica por procesos utilizando inyección de aire o efectos de

separación centrífuga. La separación natural requiere una constancia absoluta en el

paso del agua. El diseño más complejo corresponde al canal aireado:

Capítulo 3/25

El aire que se inyecta provoca una rotación al líquido (trayectoria horizontal)

y crea una velocidad constante de barrido de fondo, perpendicular a la velocidad de

paso, la cual puede entonces variar sin inconvenientes. El aire inyectado, además de

su papel motor, favorece, por su efecto de agitación, la separación de la materia

orgánica que puede quedar adherida a las partículas de arena.

Los difusores de aire se sitúan en uno de los laterales del tanque a una

distancia entre 0,5 y 0,9 m sobre el suelo. Para el control hidráulico del elemento y

para mejorar la eficacia en la eliminación de arenas se suelen usar deflectores tanto

en la entrada como en la salida de agua.

La sección transversal del canal es semejante a la de los tanques de aireación

de los fangos activos de circulación espiral con la excepción de que se incluye un

canal de recogida de arenas de unos 0,9 m de profundidad, con paredes laterales muy

inclinadas que se ubica a lo largo de un lateral del depósito, bajo los difusores de

aire. La sección transversal de un desarenador aireado será:

Capítulo 3/26

Los parámetros de diseño más importantes son:

Parámetro Valor

Intervalo Valor

No aireados

Carga hidráulica <70 m3/m2/hora (a Qmáx)

Velocidad horizontal

0,24-0,40 0,3 m/s

Tiempo de retención 45-90 s 60s

Longitud 20-25 veces la altura de la lámina de agua

Circulares

Carga hidráulica <70 m3/m2/hora (a Qmáx)

Velocidad periférica media 0,3 - 0,4 m/s

Tiempo de retención 0,5 -1 min (a Qmáx)

Aireados

Carga hidráulica <70 m3/m2/hora (a Qmáx)

Velocidad horizontal <0,15 m/seg

Tiempo de retención a caudal punta 2 - 5 min 3

Relación longitud anchura 3:1 a 5:1 4:1

Profundidad 2 - 5 m

Relación anchura-profundidad 1:1 a 5:1 1,5:1

Longitud 7,5 a 20 m

Anchura 2,5 a 7 m

Suministro de aire 0,20-0,60 m3/min 0,5

Dimensionamiento

Calculamos en primer lugar el volumen unitario de tanque. Por razones de

mantenimiento será necesario su vaciado periódico el tanque por lo que habrá que

contar al menos con dos unidades (Fórm.5):

Trxn

QV60º

=

Capítulo 3/27

Siendo:

V = Volumen unitario del tanque (m3)

Q = Caudal (m3/h)

Nº = Número de unidades

TR = Tiempo de retención (min)

Estos cálculos deben realizarse para el caudal punta horario, empleando un

tiempo de retención de entre 2 y 5 minutos (valor indicativo 3 min).

A continuación, y estableciendo una carga superficial de trabajo podemos

calcular la superficie de la lámina de agua, a efectos de definir las dimensiones del

desarenador (Fórm.6):

Siendo:

S = Superficie de la lámina de agua (m2)

Q = Caudal (m3/h)

Cs = Carga superficial (m3/m2/h) (Fórm.7) :

De este modo, la longitud del tanque vendrá dada por (Fórm.8):

Siendo:

L = Longitud del tanque (m)

Sl = Superficie lámina de agua (m2)

a = Relación largo/ancho

CsXnQS

º=

agualáminaSuperficienQ

Cs º=

axSlL =

Capítulo 3/28

Finalmente, la altura recta será (Fórm.9):

Hr = Altura recta (m)

St = Superficie transversal (m2)

A = Ancho desarenado-desengrasado (m)

Ht= Altura trapezoidal (m)

La altura trapezoidal, para una inclinación de 45º de la zona trapezoidal, será

(Fórm.10):

En cuanto a la velocidad de aproximación, puede deducirse conocido el

caudal y la sección transversal.

Realizado el dimensionamiento del tanque pueden calcularse las necesidades

de aire, que vendrán dadas por una expresión en base al suministro necesario por

unidad de superficie, dato que oscila entre 8 y 10 Nm3/h/m2.

El caudal de aire necesario se calculará simplemente multiplicando el valor

anterior por el número de unidades y la superficie transversal de cada una de ellas

(Fórm.11).

Conocidos el número de canales a instalar, la geometría de los mismos, en

concreto su longitud y el caudal de aire necesario, será preciso para completar el

diseño de la instalación determinar el número de difusores, que vendrá dado por el

AHtxAxStHr )2/1( −

=

º45senº45cos

2xAHt =

QairexnxSlQ º=

Capítulo 3/29

caudal de aire total entre el unitario por difusor, y la separación entre los mismos la

cual responde tan solo a una distribución geométrica longitudinal a lo largo del

tanque.

D. Desengrasadores

Las grasas crean muchos problemas en la técnica de la depuración de aguas

residuales, especialmente en las rejas de finos donde causan obstrucciones que

aumentan los gastos de conservación, en los decantadotes donde forman una capa

superficial que dificulata la sedimentación al atraer hacia la superficie pequeñas

partículas de materia orgánica, en la depuración por fangos activos en la que

dificultan la correcta aireación disminuyendo el coeficiente de transferencia al 55-

70% al subir las grasas de o a 70 mg/l y participan en la producción de bulking,

perturban el proceso de digestión de lodos, la D.Q.O. se incremente en un 20 a un

30% por las grasas contenidas en los vertidos.

El sistema más comúnmente utilizado para la eliminación de grasas se lleva a

cabo por insuflación de aire para desemulsionar las grasas permitiendo su ascenso a

la superficie y su subsecuente retirada. La velocidad ascensional de las burbujas de

grasa puede estimarse entre 3 y 4 mm/s. Las grasas en superficie se retiran mediante

rasquetas superficiales.

El desengrasado en aguas urbanas es indispensable y suele instalarse de

manera combinada con el desarenado, alternativa que presenta las siguientes

ventajas:

• Las velocidades de sedimentación de las arenas y de flotación de las

partículas de grasa no se modifican prácticamente por realizar el desarenado y

la desemulsión de grasas en el mismo depósito lo cual es lógico si se

considera la diferencia de densidades entre las partículas de arena y grasa.

Capítulo 3/30

• El aire comprimido añadido para la desemulsión ayuda a impedir la

sedimentación de las partículas de fango, poco densas por lo que la arena

depositada en el fondo del desarenador es más limpia.

• Las partículas de arena, al sedimentar, deceleran las velocidades

ascensionales de las partículas de grasa. Disponen así éstas de más tiempo

para ponerse en contacto entre sí durante su recorrido hacia la superficie,

aumentándose el rendimiento de la flotación de grasas.

En el sistem conjunto, en el mismo tanque de desarenado se crea una zona de

tranquilización donde se acumulan las grasas en la superficie, evacuándose por

vertedero o por barrido superficial. En estas condiciones los parámetros de diseño del

desarenado-desengrasado serán:

Parámetro Valor

Intervalo Valor

Carga hidráulica <35 m3/m2/hora (a Qmáx)

Tiempo de retención 10 - 15 min (a Qmed)

Caudal de aire introducido 0,5 a 2 m3/h por m3 de capacidad del desengrasador

También en función de la superficie transversal “S” del desarenador pueden

determinarse las necesidades de inyección de aire para evitar la sedimentación

de materia orgánia con acción de desemulsionado de grasa.

S(m2) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

C(a) 4-10,5 6-11,5 7,5-13 9-14 10-15 12-17 13-18 15-19 16-20 18-21 19-22 21-23 22-25

Siendo Ca los Nm3 por hora de aire y por metro de longitud del desarenador.

Con este tipo de desengrasadores puede conseguirse una eliminación de

grasas del 80%, para casos en los que se requiera mayor rendimiento, habrán de ser

Capítulo 3/31

unidades independientes, empleándose entonces criterios de diseño más

conservadores CHidráulica = 0,20 m3/m2.h

La figura siguiente muestra un ejemplo de un desarenador-desengrasador

conjunto tipo:

A modo de ejemplo incluimos el siguiente cuadro que recogería los datos más

concluyentes del diseño de un desarenador-desengrasador aireado.

Capítulo 3/32

PRETRATAMIENTO

Desbaste  Qmed Qpunta Qmáx Nº de canales Uds Uds Uds

Nº de canales en uso Uds Uds Uds Caudal de paso M3/h m3/h m3/h

Altura lámina agua (0,25-0,4) m Dimensiones: Aplicar formulación descrita

Ancho Canal (Fórm.2) m Calado máx reja colmatada (Fórm.3) m m m

Calado máx tamiz colmatado (Fórm.3) m m m Velocidad de acercamiento en canal (Fórm.4) m/s m/s m/s Reja / Tamiz

Tipo de reja Nº canales en uso Ud Ud Ud

Nº de rejas por canal Ud Ud Ud Ancho barrotes mm Mm mm

Luz entre barrotes mm Mm mm Velocidad paso (30% colmatación) m/s m/s m/s

Calado en canal m M m Ancho en canal m M m

Velocidad acercamiento a reja m/s m/s m/s

Capítulo 3/33

PRETRATAMIENTO

Desarenado/Desengrasado Qmed Qpunta Qmáx Canales Desarenadores/Desengras: Nº canales instalados Uds. Uds. Uds. Nº canales funcionando Uds. Uds. Uds. Tiempo de retención minutos Minutos minutos Carga superficial   m3/m2/h m3/m2/h m3/m2/h Velocidad paso transversal desaren.  m/s m/s m/s

Dimensiones unitarias Volumen total m M m Volumen Unitario canal m3 m3 m3

Dimensiones superficie Superficie lámina agua m2 m2 m2

Relación largo/ancho Longitud m M m Ancho m M m

Relación superficie desarenado/desegrasado

Ancho desarenado m M m Ancho desengrasado m M m Altura m M m Superficie Transversal m2 m2 m2

Altura Total m M m Altura recta m M m Altura trapezoidal m M m Superficie transversal desarenado (m2)

m2 m2 m2

Extracción de arenas    Concentración arena en agua bruta (mg/l)

mg/l  Rdto eliminación arenas % 90  Kg diarios producidos de arenas (Kg/día)

   Concentración de arenas en bombeo Valor que se sitúa en torno a 3.000 mg/l Caudal necesario de bombeo m3/d    Nº Unidades de bombeo Ud    Nº Unidades funcionando Ud Ud Ud Caudal unitario bombeo m3/d    Nº horas funcionando h/d h/d h/d Altura de elevación Altura total + 1 m    Capacidad máx. extracc.arenas l/m3 A.R    

Capítulo 3/34

PRETRATAMIENTO 

Desengrasador    Tiempo de retención Minutos    Carga superficial a Qmed (m3/m2/h)

m3/m2/h    Dimensiones      

Volumen m3  Altura m    Superficie m2    Relación largo/ancho      Largo m    Ancho m    

Aireación    Caudal de aire específico Nm3/h/m3    Caudal de aire superficial Nm3/h/m3    Caudal de aire necesario Nm3/h    Nº unidades instaladas Ud.    Nº unidades funcionando Ud.    Caudal unitario adoptado Nm3/h    Presión de trabajo Altura total + 1 m    Capacidad unitaria por difusor Nm3/h    Nº total de difusores Ud.    Separación entre difusores m    

3.3.3.- EXPLOTACIÓN

Los parámetros de explotación más importantes serán:

Para el desbaste:

Índice de producción de residuos:

Desbaste de gruesos: 1-3 l/1.000 hab.eq./día

Desbaste de finos: 6-12 l/1.000 hab.equ./día

Tamiz: 30 l/1.000 hab.eq/día

Reducción de volumen de residuos por prensa: 30 - 40 %

Capítulo 3/35

Para el desarenado-desengrasado:

Producción de arenas:

Siendo:

a = Arena a evacuar en Kg/d

Qmed = Caudal medio de agua tratada (m3/h)

24 h/d

[a] = Concentración de arena en agua bruta (mg/l)

R = Rendimiento en eliminación de arenas (%). Se sitúa en torno a un 90 %.

Para el cálculo del número de contenedores a evacuar precisaremos el dato de

volumen de arenas producido (V (m3/d)) más que su peso, por tanto:

Producción de grasas:

Siendo:

g = Grasas a evacuar en Kg/d

Qmed = Caudal medio de agua tratada (m3/h)

[g] = Concentración de grasas en agua bruta (mg/l)

R = Rendimiento en eliminación de grasas (%).

[ ] 000.1xaaV =

[ ] 100/000.124 RxaxxQa med=

[ ] 100/000.1

RxgxQg med=

Capítulo 3/36

Para el cálculo del número de contenedores a evacuar precisaremos el dato de

volumen de grasas producido (V (m3/d)) más que su peso, por tanto:

[ ]000.1x

ggV =