Sedimentacion Secundaria Naning

8/10/2019 Sedimentacion Secundaria Naning

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www.akros.cl 1 Javier Nannig B.

SEDIMENTACIN SECUNDARIA EN SISTEMASDE LODOS ACTIVADOS

Javier Nannig B.Ingeniero Civil

Septiembre 2003

INTRODUCCION

El presente trabajo tiene por objetivo el presentar las herramientas necesarias para la comprensiny diseo del proceso de sedimentacin secundaria, basndose en los criterios tradicionales (tasasuperficial, carga de slidos), en modelos simples (ATV, MOP-8) y en la teora del flujo msico.

Se estima que el valor de este documento radica no en los aportes tericos, sino en el intento deaclarar las contradicciones y reas grises que, no obstante los avances en la materia, persisten enla literatura tcnica, y que en Chile se transfieren a los diseos de plantas de tratamiento.

Este informe no abarca las ltimas tendencias aplicables al diseo y operacin, en cuanto amodelos hidrodinmicos del comportamiento del proceso.

1. DESCRIPCION DEL PROCESO DE SEDIMENTACION SECUNDARIA

La sedimentacin secundaria es, en el tratamiento biolgico por Lodos Activados, el procesounitario en el que la Biomasa o Licor Mezclado proveniente de un reactor (o estanque deaireacin), es separada de la fase lquida del agua, generndose un sobrenadante clarificado y unlodo de fondo. El sobrenadante clarificado es evacuado por vertederos superficiales, en tanto ellodo sedimentado es recirculado al reactor. Dependiendo del tipo de purga de lodos que se utilice,una fraccin del lodo recirculado es purgada hacia la lnea de lodos en exceso.

La forma ms comn de los sedimentadores secundarios es circular y en menor medidarectangular. Las unidades circulares o rectangulares se equipan con barredor de fondo (quepermite una mejor separacin de la Biomasa del agua, a la vez que impulsa el lodo sedimentadohacia la zona de extraccin) y recolector superficial de espumas. El fondo de los sedimentadorescirculares tiene una leve pendiente, tpicamente de 1/12. Existen tambin sedimentadores internos(Intrachannel Clarifier) que van ubicados dentro del reactor 2, de menor frecuencia de uso y quesuelen corresponder a tecnologas patentadas.La figura siguiente muestra un sedimentador circular tpico con sus distintos componentes.

Algunas variaciones a este esquema incluyen canaletas de evacuacin exteriores, vertederos deevacuacin dobles situados al interior del sedimentador, vertederos radiales, succin de fondoanular mediante tubos de aspiracin, deflector central tipo floculador y otros. El barredor de lafigura es de accionamiento perimetral, vale decir, el conjunto motriz est situado en el borde delsedimentador, aunque para unidades menores se suele usar traccin central.
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En Sedimentadores pequeos, y con el fin de prescindir del barredor de fondo, se puede usarpendientes de 60. Ello aumenta significativamente la profundidad total y puede crearacanalamientos en el lodo depositado, por los cuales slo circula lquido clarificado, ocasionandoacumulacin excesiva de lodos y rebalse de stos por la zona de efluente clarificado. En La figurasiguiente se visualiza un acanalamiento:

Por otra parte, un esquema tpico de un sedimentador rectangular es el siguiente:


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En el sedimentador secundario se produce una sedimentacin del Tipo III o Zonal, la quecaracteriza a soluciones medianamente concentradas, en que las partculas se cohesionan demanera que no pueden sedimentar individualmente, aunque tengan velocidades de sedimentaciny densidades diferentes. Como resultado, la sedimentacin produce una interfase descendenteque separa el agua clarificada de los slidos.

La sedimentacin secundaria debe cumplir dos funciones; la de clarificacin: Produccin de unefluente relativamente libre de slidos sedimentables; y la de espesamiento: Produccin de un lodosecundario que contenga en alta concentracin los slidos sedimentados en el sedimentador 8.

Para una apropiada clarificacin, se debe proveer suficiente rea en el estanque, de tal maneraque la carga hidrulica por unidad de rea no exceda la velocidad de sedimentacin de la materiade ms lenta sedimentabilidad. Para asegurar un espesamiento satisfactorio, en tanto, se debeproveer suficiente rea de tal manera que los slidos sean aplicados a una tasa no mayor quenecesaria para alcanzar el fondo del estanque 8.

La clarificacin es intuitivamente comprensible, ya que es un objetivo obvio el obtener unsobrenadante con una baja concentracin de Slidos Suspendidos, no slo por las limitacionesnormativas, sino porque stos aportan gran parte de la DBO efluente (la DBO soluble no suele sermayor a 5-10 [mg/], correspondiendo el resto de la DBO al aporte de los Slidos).

En cuanto al espesado, si ste es insuficiente (i.e. la concentracin de S.S. en el fondo delsedimentador es menor a la prevista), se deber aumentar la recirculacin a nivelesprobablemente no contemplados en el diseo. Esta menor recirculacin (en trminos de masa)implica que entran ms slidos al sedimentador que los que se evacuan por el fondo, lo queconlleva una inevitable una prdida de slidos en el efluente.


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2. CRITERIOS DE DISEO TRADICIONAL

Los criterios bsicos de diseo son la tasa superficial (relacionada con la clarificacin) y la cargade Slidos Suspendidos (relacionada con el espesamiento), adems de otros criterios como laaltura del sedimentador, recirculacin, etc.

El diseo tradicional consiste en determinar el rea requerida tanto por el criterio de clarificacincomo por el de espesamiento y seleccionar el mayor valor obtenido. Seguidamente, se imponeuna altura del sedimentador y algunos autores verifican el perodo de retencin.

A continuacin se describe los parmetros de diseo tradicionales, sobre la base de los siguientesesquemas de planta, el primero con purga de lodos desde el fondo del sedimentador y el segundocon purga de lodos desde el reactor (o estanque de aireacin para sistemas estrictamenteaerbicos), mostrados en las figuras siguientes (en este caso el subndice T para X indica que setrata de Slidos Suspendidos Totales).

AfluenteReactorV, XT=SSLM

Sedim.

Recirculacin

Efluente

Lodo en exceso

Q, XTo

Qr, XTr

Qe, XTe

Qw, XTr

AfluenteReactorV, XT=SSLM

Sedim.

Recirculacin

Efluente

Lodo en excesoQw, XT

Q, XTo

Qr,XTr

Qe, XTe

Q+Qr, XT

Qr+Qw, XTr

Q+Qr-Qw, XT


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Tasa Superficial: Como en otros procesos de sedimentacin, es el principal criterio de diseo, y sedefine como:

TS = Q / A [2.1]En que: TS = Tasa Superficial, [m3/m2/da].

Q = Caudal afluente al reactor, [m3/da]. A = Area Horizontal del sedimentador, [m2].

El caudal Q a que se refiere la ecuacin anterior es el Caudal Medio Total, aunque tambin debeevaluarse para el Caudal Mximo Horario Total Qmht.

La tasa superficial es un criterio emprico (o semiemprico ya que se puede efectuar una analogacon la teora del flujo msico tratada ms adelante), variando los valores recomendados segn lareferencia que se consulte. Los valores recomendados por Metcalf & Eddy3, son muy usados y

compatibles (aunque no idnticos) con los reportados en otras referencias2, 9

, que hacen acopio devalores citados en varios textos.

TABLA 2.1TASA SUPERFICIAL PARA SEDIMENTACION SECUNDARIA3

Modalidad Lodos Activados Tasa Superficial [m3/m2/da]@Qmedio @Qmx

Lodos Activados (excepto Aireacin Extendida) 16 33 41 49 Aireacin Extendida 8 16 24 33

Se debe hacer notar que en el clculo de la tasa superficial no se incluye la recirculacin. Ello sepuede explicar por el hecho que el agua que efectivamente sale del sedimentador -y que estafectada por el rea del ste- es el caudal efluente y no el afluente (que se compone del caudalefluente ms el caudal que sale por el fondo).

En estricto rigor, la tasa superficial se debera calcular a base del caudal efluente Qe (vale decir,TS = Qe / A) que no es igual al caudal afluente a la planta Q, usado para el diseo. En ambasconfiguraciones se verifica que Qe = Q Qw, en que Qw es despreciable frente a Q, y por lotanto Qe Q. Esta simplificacin implica un clculo conservador por cuanto el diseo considera uncaudal levemente mayor al real. Por lo dems, aparte del efluente del sedimentador, el nicocaudal que efectivamente sale del sistema es el lodo deshidratado (muy bajo en volumen), es

decir, la mayor parte del caudal de purga de lodos es finalmente restituido a la cabeza de la planta,como sobrenadante de los procesos de espesado y deshidratado de lodos, con lo que la diferenciaentre Q y Qe es an menor.

Carga de slidos: El clculo de la carga superficial de slidos afluente al sedimentador, que dicerelacin con el criterio de espesamiento, despreciando Qw, es el siguiente:


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CS = (Q+Qr) * XT / A / 1000 / 24 [2.2]

En que: CS = Carga Superficial de slidos, [KgSS/m2/h].Q = Caudal afluente a la planta (Medio Total o Mximo Horario Total),

[m3/da].Qr = Caudal de recirculacin, [m3/da].

A = Area Horizontal del sedimentador [m2].XT = Concentracin de Slidos suspendidos en el reactor (SSLM), [mg/l].

En el clculo de la carga de slidos, a diferencia de la tasa superficial, se debe considerar elcaudal de recirculacin, ya que el total de slidos que entra a la unidad debe sedimentar y espesaren el fondo (asumiendo que la cantidad de slidos evacuados por el efluente es despreciable). Enel caso del esquema de purga de lodos desde el reactor, la ecuacin [2.2] se puede calcular enfuncin de Q+Qr-Qw en lugar de Q+Qr, aunque es preferible mantener la ecuacin original, yaque la mayor parte de Qw volver finalmente a la cabeza de la planta.

Las cargas de slidos recomendadas por Metcalf & Eddy3, que anlogamente al caso de la tasasuperficial pueden considerarse representativos de los valores normalmente encontrados en labibliografa2, 9, son las siguientes:

TABLA 2.2CARGA DE SOLIDOS PARA SEDIMENTACION SECUNDARIA3 Modalidad Lodos Activados Carga Slidos [Kg/m2/h]

@ Qmedio @ QmxLodos Activados (excepto Aireacin Extendida) 3,9 - 5,9 9,8

Aireacin Extendida 1,0 4,9 6,8

El hecho que el clculo de la carga de slidos incluya la concentracin de SSLM, implica queexiste una relacin entre el diseo del reactor y el sedimentador secundario: Un valor bajo deSSLM implica un mayor volumen de reactor pero uno menor en el sedimentador, en tanto unincremento del valor de SSLM conlleva lo contrario.

Nota: Para aguas servidas domsticas, los caudales de relevancia son:Qm = P * D * R / 86400Q = Qm + Q ALL+ QINF Qmh = Qm * MQmht = Qmh + Q ALL+ QINF

En que: Qm = Caudal medio diario de aguas servidas, [l/s].P = Poblacin servida, [hab].D = Dotacin de Agua Potable, [l/hab/da].R = Coeficiente de recuperacin, adimensional.Q = Caudal medio diario total, [l/s].Q ALL = Caudal de aguas Lluvia, [l/s].QINF = Caudal de infiltracin, [l/s].Qmh = Caudal Mximo Horario de Aguas Servidas, [l/s].M = coeficiente de Harmon, adimensional.

= 1+ 14 / ( 4 + ( P / 1000 )0,5 )Qmht = Caudal Mximo Horario Total, [l/s].


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Caudal de Recirculacin: Se calcula realizando un balance de masas alrededor del reactor:

Considerando que tanto la concentracin de slidos afluente (XTo) como el lodo que crece alinterior del reactor son despreciables frente a XT y XTr, se tiene:

Q * 0 + Qr * XTr = (Q + Qr) * XT

XT Qr = Q * [2.3]

(XTr XT)

El balance de masa anterior es comn en la Bibliografa 3, 12, pero es slo un valor aproximado (loque pocas veces se menciona) puesto que se desprecia la tasa de crecimiento demicroorganismos al interior del reactor.

Para el caso de la purga de lodos desde el reactor:

Q * 0 + Qr * XTr = (Q + Qr - Qw) * XT + Qw * XT

AfluenteReactorV, XT

Sedim.

Recirculacin

Efluente

Lodo en exceso

Q, XTo

Qr, XTr

Qe, XTe

Qw, XTr

AfluenteReactorV, XT

Sedim.

Recirculacin

Efluente

Lodo en excesoQw, XT

Q, XTo

Qr, XTr

Qe, XTe

Q+Qr, XT

Qr+Qw, XTr

Q+Qr-Qw, XT


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XT Qr = Q * [2.4]

(XTr XT)

Es decir, el caudal de recirculacin es el mismo, independientemente del tipo de purga de lodos.

Al realizar un balance de masas en torno al sedimentador se obtiene la ecuacin general para larecirculacin, que para el caso de purga de lodos desde el sedimentador es:

(Q + Qr) * XT = (Qr + Qw) * XTr + Qe * XTe

Utilizando: = V/Q;c = V XT / (Qw * XTr + Qe * XTe); y despejando se obtiene:

XT (1 - / c)Qr = Q * [2.5]XTr -XT

En que: = Tiempo de Retencin (=V/Q), [das].c = Edad del Lodo, [das].

Para el caso de purga de Lodos desde el reactor, se llega a la misma expresin a partir delsiguiente balance:

(Q + Qr - Qw) * XT = Qw * XT + Qe * XTe

La fraccin /c presenta valores bajos (del orden de un 0,05) para concentraciones de DBOafluente tpicas aguas servidas domsticas, lo que permite obviarlo sin incurrir en un error demagnitud apreciable. Sin embargo, a medida que la DBO de entrada aumenta, la fraccin sesignificativa, con lo que el caudal de recirculacin calculado con la ecuacin [2.3] resultasobredimensionado con respecto al determinado mediante la ecuacin [2.5].

Concentracin de lodo de fondo, XTr: Se puede calcular considerando valores tpicos:

TABLA 2.4CONCENTRACION DE LODOS DE FONDO EN SEDIMENTADOR SECUNDARIO

Proceso Conc. Lodo fondo, XTr[mg/l] [g/l] [%]*

Lodo Activado con sedimentacin Primaria 8.000 8,0 0,8Lodo Activado sin sedimentacin Primaria 13.000 13,0 1,3

Aireacin Extendida 8.000 8,0 0,8* Se asume una densidad igual a 1.

Estos valores son demasiado generales, pudiendo utilizarse la ecuacin 2.3 para calcular X Trdefiniendo previamente la recirculacin. Sin embargo, estudios basados en la teora del flujo


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msico (Ekama & Marais citados en Ekama et. al.13), sugieren que las concentraciones de fondoas obtenidas no se condicen con los valores realmente medidos.

Otra alternativa es calcular XTr de acuerdo con la norma alemana ATV A131:

XTr = *1000 / DSVI * tE1/3 [2.6]

En que: DSVI = ndice Volumtrico de Lodos Diluido (ver punto 3.1), [ml/g].tE = Tiempo de espesamiento, 0,5 a 2,0 [h]. = Factor entre 0,5 y 0,7 que considera el hecho que la concentracin del lodo

purgado es menor a la del fondo del estanque.

Algunos valores que se obtienen de la ecuacin anterior (para =0,7) son:

TABLA N 2.5CONCENTRACION [g/l] DE RETORNO DE LODOS

XTr SEGN ATV A131tE [h] DSVI=100 DSVI=125 DSVI=1500,5 5,6 4,4 3,71 7,0 5,6 4,7

1,5 8,0 6,4 5,32 8,8 7,1 5,9

De cualquier forma, los valores de XTr no debieran ser fijos como podra inferir de la tabla 2.4 y dela ecuacin [2.6], sino que varan en funcin de la operacin, en particular de la recirculacin.

Profundidad: Si al sedimentar, la Biomasa se comportara como partculas aisladas, la profundidadno tendra importancia; sin embargo, la naturaleza floculenta de la Biomasa hace que la velocidadaumente a medida que aumenta la profundidad, ya que aumenta el tamao de partculas, por loque la profundidad debiera ser un parmetro a considerar en el diseo 18, si bien se dispone deescasa informacin al respecto. Adicionalmente, la profundidad es relevante en trminos deproveer un adecuado volumen para espesamiento .

Normalmente la profundidad se refiere a la altura de pared vertical del sedimentador (Side WaterDepth, SWD), sin tomar en consideracin la profundidad adicional en la zona de recogida del lododebida a la pendiente de fondo.

En Metcalf & Eddy3

se recomienda valores entre 3,6 y 6,0 [m]. En el manual Clarifier Design9

serecopila valores de 5 referencias, que recomiendan los siguientes valores: 3,7 a 4,6 [m]; 3,7 [m] oms; 3,0 a 4,6 [m]; 3,7 [m]; y 2,4 a 4,3 [m] (este ltimo rango, dependiendo del tamao delsedimentador), todos stos, valores para sedimentacin secundaria precedida de Lodos Activados.

Por su parte, el manual MOP-82, consigna valores en funcin del dimetro del estanque:


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TABLA 2.6 ALTURAS DE SEDIMENTADOR SEGN MOP-82

Dimetro [m] SWD Mnima [m] SWD Sugerida [m]< 12 3,0 3,4

12 a 21 3,4 3,721a 30 3,7 4,030 a 43 4,0 4,3

> 43 4,3 4,6

La norma alemana ATV A1317 es uno de los pocos textos (sino el nico) que entrega unametodologa clara aunque emprica- para el clculo de la profundidad, basada en determinar laprofundidad de un sedimentador como la suma de cuatro zonas 7,13:

- Zona superior de agua clara, h1: Tiene un valor fijo de 0,5 [m].

- Zona de separacin de Lodos, h2: Se debe proveer un tiempo de retencin de 0,5 [h],relacionado con el volumen de agua libre dado por la fraccin clarificada del test DSVI.

0,5 * TS * (1 + R)h2 = [2.7]

(1 - XT * DSVI /1000)

En que: TS = Tasa Superficial @ caudal mximo en tiempo hmedo (Qhum), [m3/m2/da].XT = Concentracin de Slidos suspendidos en el reactor (SSLM), [g/l].R = Razn de Recirculacin, Qr/ Qhum = XT / (XTr XT), tal que XTr se calcula

con la ecuacin [2.6].

Qhum = Caudal mximo en tiempo hmedo.DSVI = ndice Volumtrico de Lodos Diluido (ver punto 3.1), [ml/g].

En la ATV se impone una restriccin a la recirculacin, tal que Qr 1,5 * Qtiempo seco . Si el clculode Qr a partir de Qhum, XT y XTr, resulta en un valor mayor, se debe usar el lmite citado pardeterminar la razn de recirculacin R.

De acuerdo a la norma ATV: Qhum = 2 * Qmximo diario + QINF. Como Qmximo diario 1,5 veces elcaudal medio de aguas servidas netas, por lo tanto: Qhum = 3 * Qm + Q INF, que puede seraproximado en forma gruesa al caudal mximo horario total usado en Chile, Qmht.

Adems, Qtiempo seco = Qmximo diario + QINF 1,5 * Qm + QINF. Si se considera que en el clculode caudales en Chile el caudal medio total se expresa como Q = Qm + Q ALL + QINF, y que elcaudal de Aguas Lluvia, Q ALL, suele calcularse en el centro-sur del pas como: 0,5 * Qm (15% delcaudal mximo horario de aguas servidas netas, que para poblaciones del orden de 4.000 a5.000 [hab] es del orden de 0,15*3,3=0,5), se puede aproximar el caudal de tiempo seco de la

ATV al caudal medio total usado en Chile: Luego, la restriccin de la ATV para el caudal derecirculacin puede aproximarse, para pequeas poblaciones, a: Qr 1,5 * Q .


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- Zona de acumulacin, h3: Se debe proveer una profundidad suficiente para acumular el lodo por1,5 [h] a una concentracin de acumulacin del lodo igual a 500 [l/m3] (valor emprico), tiempo enque el lodo sedimentado se reparte uniformemente en el sedimentador. La ecuacin para elclculo de esta altura es la siguiente (el factor 0,3 slo se ocupa para la verificacin en tiempo

hmedo, ya que representa la variacin entre la concentracin de X T en tiempo seco vs. tiempohmedo):

(0,3 * XT) * 1,5 * DSVI * TS * (1 + R)h3 = [2.8]

500

- Zona de compactacin (espesado), h4: El lodo no debe permanecer en condiciones de espesadodurante un tiempo mayor a tE.

XT * DSVI *TS * (1+R) * tE

h4 = [2.9](300 * tE + 500)

En que: tE = Tiempo de espesamiento, [h] (valor recomendado: 0,5 a 2,0).

La altura total calculada (ht=h1+h2+h3+h4) es igual a la altura de aguas para sedimentadores deflujo vertical, que segn la definicin alemana, son lo que no llevan barredores, tienen pendientesde fondo de 60 y la entrada del licor mezclado se produce dentro del manto de lodos, de maneraque ste acte como filtro de las partculas ms finas.

Para sedimentadores circulares de flujo horizontal (los que tienen baja pendiente de fondo eincorporan barredor segn la definicin alemana), la altura total calculada se mide a una distanciade 2/3 R desde el centro del sedimentador. En dicho punto la altura debe ser mayor o igual a 3 [m];en el borde debe ser mayor o igual a 2,5 [m] (3 [m] para sedimentadores rectangulares); y en elcentro debera ser mayor o igual y 4 [m] (esto ltimo es ms una indicacin que una imposicin).Lo anterior se visualiza en la siguiente figura:


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Se estima que el procedimiento de clculo de la profundidad de la ATV es conservador, enparticular en el caso que el diseo considera simultneamente eventos desfavorables como: DSVIelevado (150 [ml/g]), alto tiempo de espesamiento, caudal mximo en tiempo hmedo. Ello serefrenda en el estudio de Ekama & Marais (citados en Ekama et. al. 13), en que para

sedimentadores no sobrecargados (de acuerdo a la teora del flujo msico), no se observa elestrato h3 (acumulacin), el que aparece en caso de sedimentadores sobrecargados, pero en estecaso el proceso falla de todas maneras por carga de slidos, por lo que la inclusin de h3 noaparece como necesaria.

Tiempo de Retencin: Aunque algunos textos consideran el tiempo de retencin como parmetrode diseo 4, ello es discutible si se considera que el tiempo de retencin queda definido por la tasasuperficial y la profundidad, siendo por tanto un parmetro que es consecuencia de otros criterios.

Por otro lado, y a diferencia de la sedimentacin primaria, el lodo en el sedimentador secundarioes menos putrescible que el lodo crudo, por lo que soporta ms tiempo sin emitir olores ofensivos,

por lo que no se visualiza que el tiempo de retencin sea una limitante en dicho sentido. No se hademostrado que un lodo anaerbico produzca un efecto contraproducente en el proceso de Lodos Activados8. Sin embargo, se debe precaver que el tiempo de retencin sea el mnimo posibledadas las restricciones de tasa superficial, carga de slidos y profundidad, ya que un alto tiempode retencin puede conllevar condiciones anxicas, con la consecuente desnitrificacin de laBiomasa acumulada en el sedimentador, produciendo burbujas de Nitrgeno que arrastren partedel lodo a la superficie (efecto llamado Lodo Ascendente o Rising Sludge).

Carga sobre vertederos: El efecto en el comportamiento del sedimentador secundario delvertedero de descarga es menor, siendo ms importante una buena distribucin de los flujos desalida (ubicacin y nivelacin de los vertederos). En Metcalf & Eddy se recomienda valores de 124

y 250 [m3

/m/da] a caudal medio y mximo respectivamente, aunque valores hasta 375 [m3

/m/da]tambin son aceptables segn otras referencias 9.

La AVTV A131 restringe este parmetro a 10 [m3/m/h] a caudal mximo para sedimentadores convertederos simples y a 6 [m3/m/h] para el caso de vertederos dobles. En el caso que el DSVI seamayor a 150 [ml/g] debe reducirse estos valores (no se especifica cunto).

Otros parmetros: Adems de los parmetros ya citados, existen otras variables que influyen en elcomportamiento del sedimentador, para las que no se dispone de elementos efectivos para sucuantificacin, como: temperatura del agua, accin de las olas y el viento, caractersticasgeomtricas y ubicacin de las zonas de entrada, evacuacin de lodo y vertedero de descarga.


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3. MODELOS SIMPLES PARA EL DISEO DE SEDIMENTADORES

Puede apreciarse que los criterios tradicionales de diseo no entregan herramientas contundentes

para el diseo, ya que el hecho de slo presentar rangos para los parmetros ms importantes(tasa superficial y carga de slidos), no permite elegir a priori un valor, por lo que la eleccin destos queda en gran parte supeditada a la experiencia del diseador.

Para suplir lo anterior, se dispone de modelos simples o ecuaciones que permiten el clculo mspreciso del rea de sedimentacin requerida, entre los cuales estn el criterio de la Norma ATV, laecuacin de White y el procedimiento grfico consignado en el MOP-8 pp. 591.

Estos tres mtodos estn basados en parmetros denominados genricamente IndiceVolumtrico de Lodos, los que fueron desarrollados para cuantificar el grado de sedimentabilidadde la Biomasa en un sistema de Lodos Activados. A continuacin se estudia estos ndices, aspectonecesario para el correcto entendimiento de los criterios de diseo.

3.1. ndices de Volumen de Lodos

ndice Volumtrico de Lodos IVL (Sludge Volume Index o SVI en ingls) o Indice de Mohlmann:

Representa el volumen ocupado por 1 gramo de Slidos Suspendidos sedimentados. Elprocedimiento para su determinacin es el siguiente: Se llena una jarra graduada de 1 litro conlicor mezclado, se deja sedimentar por 30 minutos y se mide el volumen sedimentado. El SVI en[ml/g], se calcula como el volumen sedimentado [ml/l] dividido por la concentracin inicial deSlidos Suspendidos [g/l]1.

Para la jarra estndar de 1 litro, el SVI en [ml/g] calcula simplemente como:SVI = V30 / XT [3.1]

En que: V30 = Volumen Lodo sedimentado en 30 minutos, [ml].XT = Concentracin inicial de Slidos Suspendidos, [g/l].

Como la masa de slidos es la misma antes y despus de la sedimentacin, y suponiendo que laconcentracin del lodo sedimentado es igual a la que se obtiene en el fondo del sedimentador, secumple que: Masa Slidos = XT * Vj = XTr * V30. Luego, combinando con la ecuacin [3.1] seobtiene:

XTr [mg/l] = 106/SVI [3.2]

Suele usarse la ecuacin [3.2] para el diseo en lugar de los valores presentados en las tablas[2.4] o [2.5] lo que es cuestionable tanto por el hecho que las condiciones que se desarrollan alinterior de la jarra son distintas de las reales (p.e. profundidad sustantivamente menor a la delsedimentador), como el hecho que la concentracin de lodo de fondo necesariamente variar deacuerdo con las condiciones de operacin, en particular con la recirculacin .


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ndice Volumtrico de Lodos Diluido (DSVI, Diluted Sludge Volumen Index)

Es similar al SVI, en cuanto a que se obtiene en una jarra sin agitacin, pero con dilucin del lodo.

Este es el procedimiento estndar en Alemania (DIN 38409T2) 13

, y es el que se menciona en lanorma ATV A131. Sin embargo, en dicha norma slo se le nombra como ISV, sin hacer mencinespecfica a que se trata del DSVI. Ello trae como consecuencia que se haya observado diseosen que se usa valores representativos de otro ndice (p.e. SSVI 3,5), para el cual un mismo valor noimplica la misma sedimentabilidad.

Se define el DSVI de la misma forma que el SVI, slo que si los volmenes decantados estn fueradel rango 150 a 250 [ml/l], se debe realizar diluciones o concentraciones sucesivas hasta que sealcance dicho rango. Las diluciones se realizan con un 50% de Licor mezclado y 50% de efluentede la planta (no clorado). Las principales ventajas de este mtodo sobre el SVI son la mayorindependencia de la concentracin del licor mezclado y una mejor correlacin con el contenido debacterias filamentosas (Lee et al., 1983, citados por Ekama et. al. 13).

Anlogamente al SVI, el clculo del DSVI para una jarra de 1 litro, precaviendo que 150< V30 5 100Nitrificacin incipiente o parcial 1,5-5 120-160


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Para calcular el rea requerida se usa las expresiones [3.8] y [3.9] prefijando el caudal derecirculacin, conociendo el caudal afluente y asignando un valor de 100 [ml/g] al SSVI3,5, demanera que se cumpla CS=CL y luego se multiplica el rea obtenida por 1,25. Al multiplicar dicharea, se estar variando CS a CS y CL a CL, cumplindose que CL>CS, CS


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Adems, en los ejemplos dados por Keinath no se especifica si el caudal de recirculacin secalcula como R=(caudal de recirculacin / caudal medio) o como R=(caudal de recirculacin /caudal mximo). En apariencia Keinath se referira al caudal medio pero para ser consistentes conla teora del flujo msico se debe utilizar el caudal mximo.

El grfico citado es el siguiente:

GRAFICO MOP-8CALCULO DEL AREA DE SEDIMENTADOR SEGN KEINATH (p.591)


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En el grfico N1 se aprecia un punto en que el flujo msico admisible en el sedimentador esmnimo, lo que se produce a una concentracin de Slidos XL, mayor a la concentracin de Slidosde entrada XT (a la izquierda de XT, i.e. a concentraciones de Slidos menores que la de entrada,el flujo admisible puede ser an menor e incluso nulo, pero ello no importa en el anlisis, porqueestas concentraciones, en el estrato de espesamiento, no se producen en la realidad).

Si bien a la concentracin de slidos de entrada la carga aplicada puede ser muy alta, a medidaque los slidos caen a travs del sedimentador se concentran ms, la carga disponible por unidadde rea decrece, y en algn punto del sedimentador habr una concentracin lmite a la que elflujo msico ser mnimo. Al aumentar la concentracin por sobre el valor XL, la carga admisible sevuelve a incrementar. Como la concentracin de lodo en el sedimentador es variable segn lacapa, usualmente debe pasar por la concentracin lmite X L antes de llegar al fondo, por lo queser esta concentracin lmite la que defina la carga mxima de slidos admisible. Si la cantidadde slidos que alimentan el sedimentador es mayor que el valor del flujo lmite de slidos, stos seacumularn en el sedimentador pudiendo llegar a rebalsar por el efluente.

Naturalmente, el grfico anterior representa ciertas condiciones particulares. Si el caudal derecirculacin disminuye (lo que se visualiza por una recta con menor pendiente) el flujo lmitedisminuir (y viceversa) y si la velocidad de sedimentacin aumenta, el flujo lmite aumentar (yviceversa).

A medida que se aumenta la recirculacin, el punto de flujo mnimo se aproxima al punto de flujomximo. A una cierta recirculacin, denominada recirculacin crtica, ambos puntos se juntan,generndose un punto de inflexin a la concentracin de entrada X T y una curva ascendente. Estepunto de inflexin equivale al flujo lmite para recirculaciones mayores a la recirculacin crtica, ya

Grfico N1

Concentracin de Slidos, X T i

F l u j o d e

S l i d o s ,

G t

Punto de inflexin

Flujo por Purga de Lodos

Flujo por SedimentacinGravitacional

GL

XLXT

Punto Flujo Mnimo

Punto Flujo Mximo


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que para cualquier otra concentracin, el flujo admisible ser mayor (excepto para valoresmenores de XT, los que no son relevantes para el anlisis). En este caso, el sedimentador operacomo clarificador, pero no como espesador. Grficamente, lo anterior se visualiza como:

La resolucin grfica de la teora del flujo msico es comn en algunos textos (p.e. Metcalf &Eddy3, Clarifier Design9) y est basada en los trabajos de Coe & Clevenger, Kynch, Dick & Young(ver Dick8). Tambin existen otros mtodos grficos basados en la velocidad de sedimentacincomo el de Talmadge & Fitch, frecuente de encontrar en libros de texto 3, pero que no son vlidospara la sedimentacin secundaria de lodos activados porque no aplican a lodos compresibles 9 y noconsideran el caudal de recirculacin.

La resolucin matemtica del flujo msico mximo fue desarrollada por Riddel et.al.10, y sepresenta a continuacin:

De las ecuaciones [4.1] y [4.2], el flujo total se expresa como:

Gt = Uo XT i e (-n XT i) + XT i Qr / A [4.3]

El flujo lmite para una curva como la del grfico N1, es representado por el punto en que sesatisfacen dGt/dXT i = 0 y d2Gt/dXT i2 > 0.

Derivando la ecuacin [4.3]:

Grfico N2

Concentracin de Slidos, X T i

F l u j o d e S l i d o s ,

G Punto de inflexin

Flujo por Purga de Lodos

Flujo por SedimentacinGravitacional

GL

XT


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dGt = Uo e (-n* XT i) Uo n XT i e (-n XT i) + Qr / A = 0 [4.4]

d XT i

Evaluando para XT i = XL (concentracin lmite de Slidos Suspendidos) y despejando:

Qr=> A = [4.5]

Uo e (-n XL) (XL n - 1)

Derivando nuevamente:

d2Gt= -2 Uo n e (-n XT i) + Uo n2 XT i e (-n XT i) > 0 [4.6]

d XT i 2

Para que la expresin [4.6] sea mayor a cero, evaluando en X T i = XL, y en virtud a que Uo, XL, e(-n*XL) son valores positivos, se debe cumplir que:

XL > 2 / n [4.7]

Despreciando los slidos del efluente, todos los slidos que entran al clarificador deben serpurgados. Luego, el flujo total tambin puede expresarse como:

Gt = Qr XTr / A [4.8]

En que: XTr = Concentracin de Slidos de retorno (en el fondo del sedimentador).Combinando las ecuaciones [4.3], [4.5], [4.7] y [4.8] y despejando se obtiene:

XL = XTr / 2 + (XTr 2 / 4 - XTr / n)1/2 [4.9]

La concentracin de retorno XTr, se calcula a partir de un balance de masas, el que despreciandolos slidos suspendidos evacuados en el efluente, arroja la siguiente relacin, equivalente a laecuacin 2.3:

( 1 + R )XTr = XT [4.10]

REn que: R = Razn de recirculacin = Qr / Qmht.

Qmht = Caudal afluente al reactor (no al sedimentador). En este caso interesa el caudalmximo sostenido. Para este trabajo se asimila al caudal mximo horario total.

Se hace notar que normalmente la razn de recirculacin R se calcula sobre la base del caudalmedio, lo que implica valores distintos a los usados en el presente anlisis. Por ejemplo, si elcaudal de recirculacin es igual al caudal medio total Q (R=1), y la razn Qmht/Q es igual a 3, larazn R calculada segn [4.10] ser slo de 0,33.


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Para que la solucin de la raz cuadrtica de la ecuacin [4.9] sea mayor o igual a cero yreemplazando XTr de la ecuacin [4.10], debe darse que:

XT R [4.11]4 / n XT

Se denomina razn de recirculacin crtica al valor en que:

XT Rc = [4.12]

4 / n XT

La razn de recirculacin crtica representa el valor mximo para el cual es vlido el Grfico N1.

El flujo o carga lmite para R Rc debe ser obtenido a partir de las ecuaciones [4.3] (evaluada enXL) y [4.5], con lo que resulta:

GL = Uo n XL2 e(-n XL) [4.13]

La carga de slidos al sedimentador, para el caudal mximo, se calcula como:

(Qmht+Qr) XT Ga = [4.14] A

Se debe cumplir que Ga GL, luego combinando las ecuaciones [4.13] y [4.14], se obtiene:

(Qmht+Qr) XT A (para R Rc) [4.15]

n Uo XL2 e(-n XL)

Por otro lado, como ya se mencion, un aumento de la razn de recirculacin R hasta un valor Rc,produce una aproximacin del mximo al mnimo hasta un punto de inflexin en que laconcentracin lmite de Slidos Suspendidos es igual a la concentracin de Slidos en la entradadel sedimentador (XT=XL), (ver Grfico N2).

En este punto, el sedimentador acta slo como clarificador y no como espesador Luego, el flujolmite es el correspondiente a la concentracin de entrada. Para valores de R mayores a Rc, elflujo lmite GL =Gt, de la ecuacin [4.3]:


26/33


GL = Uo XT e(-n XT) + XT Qr / A [4.15]

Combinando con la ecuacin [4.14], e imponiendo que Ga GL, se obtiene:

Qmht A (para R > Rc) [4.16]

Uo e(-n XT)

Conocidos los caudales, concentracin de Slidos Suspendidos de entrada al sedimentador ascomo las constantes Uo y n, para el caso en que R Rc, se debe calcular el rea mediante laecuacin [4.15], calculando antes XTr de la ecuacin [4.10] y XL de la ecuacin [4.9]. Para R>Rc,se aplica la ecuacin [4.16] directamente.

La determinacin de los valores de Uo y n ha sido objeto de numerosos estudios, en general,relacionando algn ndice de lodos con dichos parmetros. La aplicacin de la teora del flujomsico para las distintas expresiones de Uo y n halladas en la Bibliografa presenta grandesdispersiones, por un lado, por la inexistencia de una relacin confiable entre los distintos ndices delodo, y por otro, por la distinta validez estadstica de los estudios (y probablemente por diferenciasmetodolgicas). A continuacin se selecciona algunas expresiones para Uo y n, a saber, las de:Johnstone, Pitman, Wahlberg & Keinath y Daigger & Roper. Las ecuaciones de Johnstone yPitman tienen la ventaja de haber sido realizadas sobre la base de un gran nmero de ensayos enplantas reales. Las de Wahlberg & Keinath y Daigger & Roper no tienen tanta solidez, pero seconsignan porque es de estas ecuaciones, y de la aplicacin de la teora del flujo msico, que sederivan los mtodos grficos consignados en el MOP-8 (p.591 y p.590 respectivamente).En otro estudio, von Sperling6, recoge expresiones para Uo y n para distintos ndices de volumende lodo, las agrupa segn el tipo sedimentabilidad (ver tabla 3.1), calcula las constantes Uo y npara cada rango y expresin, y determina el flujo lmite correspondiente a cada expresin. Luego,para cada tipo de sedimentabilidad, realiza una regresin de los flujos lmite para ajustarles unaecuacin en funcin de los SSLM. Esto no tiene mucha validez estadstica puesto que se comparadatos de distinta calidad y origen (adems no presenta los coeficientes de correlacin obtenidos).


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TABLA 4.1VALORES DE Uo Y n EN FUNCION DEL INDICE DE LODOS

Autor Indice N Rango Uo n r 2 ComentariosDatos Validez m/h l/g

60-79 6,500 0,3588 0,960780-99 5,826 0,3712 0,9591

100-119 5,300 0,4067 0,9374

Johnstone etal, 1979

SSVI3,5 733

120-139 4,234 0,4222 0,9618

Experiencias en plantas reales.Reporta concordancia con laexpresin de White

Daigger &Roper, 1985

SVI 236 36-402 7,8 0,148+0,0021*SVI 0,997 para n,0,89 para Uo

Mediciones en 6 plantas piloto ydos reales. Datos muestrandispersin considerable. Seaplica a plantas con dosificacinde qumicos.

Pitman, 1984 SSVI3,5 697 35-150 161,2045*SSVI3,5-0,7249 0,22015e(0,00657*SSVI3,5) 0,968 para Uo/n,0,976 para n

6 aos de experiencias en 4plantas reales con remocin denitrgeno y/o fsforo. Valorescorroborados por Ekama &Marais, 1986 13

Wahlberg &Keinath, 1988

SSVI 185 35-220 15,3-0,0615*SSVI 0,426-0,00384*SSVI+5,43*10-5*SSVI2

no reportado Relaciona Uo y n con el SSVIsobre la base de datos de 21plantas de lodos activados sinadicin de qumicos, y deconsiderable variacin enrminos de tamao, localizacin

geogrfica, modo de operacin,mtodo de aireacin, y tipo ymonto de aporte industrial.


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www.akros.cl 28 JavierNannig B.

En el diseo de sedimentadores secundarios utilizando las expresiones de la tabla anterior y lateora del flujo msico, se debe conocer a priori el valor del ndice de lodos, lo que no esposible, por cuanto no se sabe como operar realmente la planta. Se podra entonces escogerel valor ms alto de cada ndice de lodos, pero ello implicara diseos impracticables. Larecomendacin es usar un valor equivalente a un lodo de sedimentabilidad media a pobre, perosin llegar a ser un lodo filamentoso (para este ltimo es preferible tomar medidas correctivasdistintas de un aumento innecesario e inviable del tamao del sedimentador).

Para el caso del SSVI 3,5, un valor de 100 [ml/g] recomendado por White5 y Ekama et. al.13 parece adecuado. Para el DSVI un valor de 150 [ml/g] resulta aproximadamente equivalente aun SSVI3,5 de 100. Para el SVI y SSVI se adopta valores de 200 [ml/g] y 125 [ml/g] comoequivalencia a los valores anteriores.

A continuacin, en el grfico N4, se calcula el rea para los valores de ndice de lodos antesconsignado, considerando un caudal de 100 [m3/h]. Dada la alta variabilidad del resultado enfuncin del caudal de recirculacin, el rea se calcula en cada caso para la recirculacin crtica,tambin mostrada en el grfico. Los resultados se comparan con el mtodo de White y de la

ATV A131. Adicionalmente, dado que varios autores5,11 han establecido que el flujo lmitepredicho por la teora est en un rango de 20% con respecto al flujo lmite real, las reasobtenidas (excepto para la ATV) se multiplican por 1,25 (1/0,8).

GRAFICO N4FLUJO MASICO

AREA vs. SSLM (XT)R=Rc

0

50

100

150

200

2,5 3 3,5 4 4,5XT [g/l]

A r e a

[ m 2 ]

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

R e c

i r c u

l a c i

n

C r

t i c a

[ o / 1 ]

Area Johnstone, SSVI3,5=100ml/g

Area Pitman, SSVI3,5=100 ml/g

Area Daigger & Roper, SVI=200

ml/g Area Wahlberg & Keinath,SSVI=125 ml/g

Area White, SSVI3,5=100 ml/g

Area ATV, DSVI=150 ml/g

Rc Johnstone

Rc Pitman

Rc Daigger & Roper

Rc Wahlberg & Keinath

Rc White

Se aprecia que el clculo para la expresin de Wahlberg & Keinath est muy alejada de lasrestantes (este resultado es el mismo que se obtendra con el mtodo grfico del MOP-8 sinmultiplicar el rea obtenida por 1,25 y utilizando R=Qr/Qmx). Los resultados obtenidos usandolas expresiones de Johnstone, Pitman y White son compatibles entre si, con una diferenciamxima de un 18%. La curva obtenida por el mtodo de la ATV A131, se encuentra en generalsobre las anteriores, aproximndose a stas a altas concentraciones de Slidos Suspendidos.


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Los resultados obtenidos usando la expresin de Daigger & Roper son siempre superiores a losderivados de las expresiones de White, Johnstone y Pitman.

Sin embargo, si se limita la recirculacin a un mximo de R=0,5 (dado que esta recirculacinest basada en el caudal mximo, un valor de 0,5, para una razn Qmximo/Qmedio=3,equivale a 1,5 o 150% referida al caudal medio, que en general es el mximo instalado en lossistemas de recirculacin), las curvas de White, Pitman y Johnstone siguen arrojando valorescompatibles entre s (y casi idnticos para una concentracin de 3,5 [g/l] de SlidosSuspendidos), la curva de Daigger & Roper se aleja considerablemente, y la de la ATV A131pasa de ser conservadora a entregar valores notoriamente menores a partir de concentracionesmayores a 3,7 [g/l] de Slidos Suspendidos.


AREA vs. SSLM (XT)Rmax=0,5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2,5 3 3,5 4 4,5XT [g/l]

A r e a

[ m 2 ]

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

R e c

i r c u

l a c i

n

C r

t i c a

[ o / 1 ]

Johnstone, SSVI3,5=100 ml/g

Pitman, SSVI3,5=100 ml/g

Daigger & Roper, SVI=200 ml/g

White, SSVI3,5=100 ml/g

ATV, DSVI=150 ml/g

R Johnstone

R Pitman

R Daigger & Roper

R White

Puede concluirse que la teora del flujo msico constituye una buena y racional herramientapara el diseo del proceso de sedimentacin secundaria, en particular si se usa las expresionesde White, Pitman o Johnstone. Tanto White como Johnstone sostienen que el flujo lmitecalculado mediante sus respectivas expresiones estn en 20% con respecto al flujo lmite real.

Ekama & Marais (1986, citados en Ekama13), en un estudio posterior a los antes citadosverifican la teora de flujo msico con datos de plantas holandesas, concluyendo que la teoradel flujo msico efectivamente predice el flujo lmite si se multiplica el resultado por 1/0,8=1,25,especulando que ello podra ser atribuible a la baja profundidad de los sedimentadores en quese hizo las experiencias (1,5 a 2,5 [m]) o a caractersticas propias de cada sedimentador(ubicacin de vertederos, razn dimetro/profundidad, turbulencias, densidades de corriente,etc.), por lo que no existira evidencia fehaciente que permita asegurar que para todo tipo desedimentador se deba multiplicar el rea obtenida por la teora del flujo msico por 1,25, .

Adicionalmente, y no obstante predecir el fluido lmite, la concentracin lmite resulta


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notoriamente sobreestimada y la concentracin de recirculacin calculada no resultarepresentativa, toda vez que la teora del flujo msico no considera la capacidad decompactacin del lodo, que limita la concentracin mxima que se puede obtener. Todos estosaspectos deben ser materia de investigacin.

Por ltimo, se presenta las tasas superficiales y cargas de slidos obtenidas por los distintosmtodos, con el fin de compararlas con los valores normalmente adoptados en los criteriostradicionales.


TASA SUPERFICIALRmax=0,5

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5

XT [g/l]

T S [ m 3 / m

2 / d ]

TS Johnstone, SSVI3,5=100 ml/g TS Pitman, SSVI3,5=100 ml/gTS White, SSVI3,5=100 ml/g TS ATV, DSVI=150 ml/g


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CARGA DE SOLIDOSRmax=0,5

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5XT [g/l]

C S [ k g

S S / m 2 / d a ]

CS Johnstone SSVI3,5=100 ml/g CS Pitman SSVI3,5=100 ml/g

CS Daigger & Roper SVI=200 ml/g CS White SSVI3,5=100 ml/g

CS ATV DSVI=150 ml/g


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Documents

Sedimentacion Secundaria Naning