SEDIMENTACION.1 TEMA 5.- SEDIMENTACION. 1.-Introduccin. 2.-Desplazamiento de un slido en el seno de un fluido 2.1.-Partculas esfricas. 2.2.-Partculas no esfricas. 3.-Sedimentacin de suspensiones concentradas 4.-Ensayos discontinuos de sedimentacin. 5.-Sedimentacin continua. Tipos de sedimentadores 6.-Ecuaciones de diseo de un decantador 7.-Coagulacin-floculacin 7.1.-Estado coloidal 7.2.-Desetabilizacin de partculas coloidales 7.3.-Tipos de coagulantes-floculantes 8.-Bibliografa. 1.-Introduccin La sedimentacin es un proceso unitario basada en las leyes de transferencia de cantidad de movimiento (Introduccin, tema 4) y estudia la separacin slido-lquido. La sedimentacin tiene por objeto la reduccin de los slidos presentes en una suspensin bajo la accin exclusiva de la gravedad. Una suspensin sometida a un proceso de sedimentacin genera un fluido claro, sobrenadante, y una elevada concentracin de slidos, fango o lodo. Tiene la misma finalidad que la filtracin, pero los slidos obtenidos estn menos concentrados. Entre las aplicaciones de la sedimentacin se encuentra el tratamiento de efluentes contaminados, principalmente el tratamiento de aguas residuales urbanas en las estaciones depuradoras (EDAR). Existen cuatro tipos de sedimentacin,

Sedimentacin de partculas discretas, stas decantan de forma independiente, llegndose a equilibrar las fuerzas que actan sobre la partcula, sedimentando a velocidad constante

SEDIMENTACION.2 Sedimentacin de partculas floculantes, al chocar partculas que estn sedimentando, se pueden agregar formando partculas de mayor tamao, incrementando la velocidad de sedimentacin. Sedimentacin por zonas, tiene lugar cuando las materias floculadas forman una masa con una concentracin relativamente elevada de partculas. Sedimentacin por compresin, cuando las partculas estn en contacto fsico unas con otras.

Otros aspectos relacionados con partculas slidas en suspensin son los que siguen, -Si en el seno de un lquido, agua, se dejan caer partculas de igual tamao pero de pesos especficos distintos, las ms densas llegan antes al fondo. Terminada la sedimentacin se aprecian capas superpuestas; en la base del recipiente aparece una primera capa formada por las partculas ms densas y a continuacin, sucesivas capas en orden decreciente de densidad. -Si las partculas son de la misma densidad, en el fondo del sedimentador se alojan, en primer lugar, las partculas de mayor tamao. -La forma de la partcula afecta a la fuerza de rozamiento que experimenta la partcula en el descenso en el seno del fluido, y por tanto, a la velocidad de sedimentacin. Concluyendo, la velocidad de cada de una partcula en el seno de un fluido es caracterstica del tamao, forma y naturaleza de la misma. -Si un conjunto de partculas slidas se encuentran en la corriente de un fluido que se mueve verticalmente, de abajo hacia arriba, a una determinada velocidad, va, las partculas con una velocidad de sedimentacin vs < va son arrastradas por el fluido, mientras que las restantes sedimentan; fenmeno conocido como clasificacin hidrulica. Por lo expuesto, se pueden ampliar los objetivos de las operaciones bsicas relacionadas con partculas en el seno de un fluido a, Recuperacin o concentracin de slidos, sedimentacin. Recuperacin de lquidos, clarificacin. Separacin de slidos por tamao y densidad, clasificacin hidrulica. 2.-Desplazamiento de un slido en el seno de un fluido

Se va a estudiar la velocidad de sedimentacin de partculas individuales en el seno de un lquido, sedimentacin de partculas discretas. En estas condiciones, se alcanza un equilibrar de las fuerzas que actan, sedimentando la partcula a velocidad constante. En primer lugar se estudia el caso de partculas de forma esfrica y despus partculas de diferentes formas.

SEDIMENTACION.3 2.1.-Partculas esfricas. Se considera la partculas esfricas de dimetro D y densidad s, suspendidas en el seno de un fluido de densidad y viscosidad y , respectivamente. Si s>, las partculas descienden por la fuerza de la gravedad. Al movimiento de descenso se oponen la fuerza de rozamiento y la de flotacin, de tal manera que,

Fuerza descendente gDVgmg ss 36

===

Fuerzas ascendentes de flotacin gD 36

=

Fuerza ascendente de rozamiento ( )Re4 122

= uD

(/4)D2 es el rea de la seccin normal en la direccin de cada. u= velocidad de cada. 1(Re) es funcin del nmero de Reynolds.

Todas estas fuerzas son constantes menos la de rozamiento que vara con la velocidad. As, la cada de la partcula se ve frenada por el incremento de la fuerza de rozamiento, hasta que la aceleracin de la partcula llega a ser nula y se produce la sedimentacin a una velocidad constante o velocidad lmite, figura 5.1.

Figura 5.1.-Representacin grfica de las velocidades de cada de una partcula en el seno de un fluido, en funcin del tiempo. Cuando, tericamente, la aceleracin es cero, las fuerzas ascendentes y descendentes se igualan.

( )Re466 12233

+

=

uDgDgD s

SEDIMENTACION.4

( ) ( )Re46

12

23

=

uDgD s ( )

( )

Re64

1= gDu s

Para poder utilizar esta ecuacin es preciso conocer los valores de la funcin del no de Reynolds, [1 (Re)=f] que para partcula esfricas se han calculado experimentalmente, figura 5.2,

Figura 5.2.-Representacin grfica, en coordenadas logartmicas, de la funcin f=1(Re), para partculas esfricas, de dimetro D, velocidad de cada u y viscosidad del medio

En el tramo a-b, (Re

SEDIMENTACION.5 ( )

2

18Dgu s = Ecuacin de Stokes

Permite calcular la velocidad lmite de cada de partculas esfricas de pequeo tamao y en medios muy viscosos. b)Velocidad de cada con valores intermedios del nmero de Reynolds, (Re

SEDIMENTACION.6

Figura 5.3.-Representacin grfica en coordenadas doble-logartmicas de los nmeros de Reynolds para distintos valores de los parmetros f/Re y f(Re)2 respectivamente. c)Cada con altos valores de Re (>2.000). 1(Re)=0,25

Sustituyendo en ( )

( )

Re64

1= gDu s

( )

= sgDu 666,2 Ecuacin de Newton

2.2.-Partculas no esfricas El razonamiento anterior se puede repetir, en el caso de partcula no esfricas, con algunas modificaciones como,

La forma de la partcula a travs del trmino (V/A)

SEDIMENTACION.7 El dimetro de una partcula esfrica de igual volumen que la partcula no esfrica,

dimetro equivalente El coeficiente de esfericidad , que es la relacin entre la superficie de la

partcula esfrica de igual volumen que la partcula y la superficie de la partcula. Este parmetro afecta al valor de la funcin del nmero de Reynolds.

En la figura 5.4 se muestran los valores del dimetro equivalente, de la esfericidad y del cociente V/A para diversas formas de partculas.

Figura 5.4.-Valores del dimetro equivalente, esfericidad, cociente V/A, para diversas formas de partculas

Partiendo de la ecuacin ( )

( )

Re64

1= gDu s como (4D/6)=(V/A)

SEDIMENTACION.8 La velocidad de cada lmite de la esfera equivalente, ue sera,

( ) ( )

=s

eee

gAVuRe1

La velocidad de cada lmite de la partcula, up, sera,

( ) ( )

=s

ppp

gAVuRe1

Dividiendo up entre ue se obtiene el valor de up.

( ) ( ) ( )( )pe

epep VAAVuuReRe

1

1

=

En la figura 5.5 se definen los coeficientes de frotamiento, f 1(Re), en funcin del (Re) y de la esfericidad, , de la partcula.

Figura 5.5.-Valores que adopta el coeficiente de frotamiento, f, en funcin del nmero de Re y la esfericidad de la partcula. 3.-Sedimentacin en suspensiones concentradas Si la suspensin es lo suficientemente diluida, de tal manera que las partculas vecinas no interfieren en la cada de una determinada partcula, sta adquirir una velocidad lmite, que se puede calcular segn se muestra en el apartado anterior, sedimentacin libre.

SEDIMENTACION.9 Para suspensiones de alta concentracin, las partculas estn tan prximas que continuamente se estn produciendo colisiones entre ellas. La viscosidad y la densidad del lquido se ven afectadas por la presencia de partculas de menor tamao, y el valor de la velocidad ascendente del lquido es mayor. Esto se traduce en que la velocidad de sedimentacin de partculas de gran tamao es menor que la velocidad lmite correspondiente; por contra, las partculas pequeas son arrastradas por las grandes en la cada, adquiriendo velocidades reales superiores a las correspondientes a su tamao. La sedimentacin recibe el nombre de sedimentacin obstaculizada, en la cual la velocidad de cada de las diferentes partculas es ms uniforme que en la sedimentacin libre. 4.-Ensayos discontinuos de sedimentacin Los ensayos discontinuos de sedimentacin se realizan a escala de laboratorio y tienen como finalidad la determinacin de la velocidad de sedimentacin de los slidos de una suspensin. La experimentacin consiste en llenar una probeta, de dos litros de capacidad, con la suspensin, seguidamente se agita para homogeneizar y se deja en reposo. Con el paso del tiempo se perciben cuatro zonas debido a la concentracin de los slidos que sedimentan, figura 5.6.

Figura 5. 6.-Probetas tpicas de sedimentacin de suspensiones concentradas

A: Zona superior de lquido claro, libre de partculas slidas. B: Zona de alimentacin, la suspensin se mantiene a una concentracin similar a

la inicial. C: Zona de espesamiento, de alta concentracin de slidos, es posible observar

lneas de corrientes de lquidos desplazndose hacia arriba. D: Zona inferior de comprensin, la sedimentacin se va compactando.

SEDIMENTACION.10 Conforme progresa la operacin las zonas B y C desaparecen y la D disminuye de espesor debido a la compresin. El punto crtico, c, se produce en el momento en que se inicia la compresin; en ella, parte del lquido que ha acompaado a los flculos hasta la zona de compresin D, es expulsado al romperse la estructura de stos. En las suspensiones muy diluidas, los lmites entre las distintas zonas son difcilmente diferenciables, debido a que las partculas caen a muy diferente velocidad, sedimentacin selectiva. En suspensiones muy concentradas y si el tamao de las partculas es muy uniforme, las cuatro zonas se hacen patentes desde el primer momento. Si las partculas son muy grandes, no aparece la zona B, sino que se confunde con la C que presenta una concentracin creciente hasta llegar a la zona de compresin. Peridicamente se toman la altura que sobre la probeta definen las lneas de separacin del lquido clarificado y la suspensin, y se anota el tiempo transcurrido. A continuacin, se representan los valores en un diagrama altura-tiempo, figura 5.7. La curva relaciona la altura del lmite entre la zona A y B frente al tiempo. Durante la primera etapa de la sedimentacin la velocidad es constante, a medida que el slido se acumula en la zona D, la velocidad de sedimentacin disminuye y desciende continuamente hasta que se alcanza la altura final, a tiempo infinito. La velocidad de sedimentacin se corresponde con la pendiente del tramo recto de la curva.

Figura 5.7.-Determinacin de las velocidades de sedimentacin a partir de la curva de sedimentacin discontinua 5.-Sedimentacin continua. Tipo de decantadores. Se lleva a cabo en recipientes de gran dimetro y altura relativamente pequea, en el que se procede a extraer los fangos decantados por el fondo del aparato, mientras que el lquido clarificado rebosa por la parte superior. La superficie de separacin de las cuatro zonas queda esttica; la alimentacin se aade en la zona donde la concentracin del slido es igual a la de la suspensin.

SEDIMENTACION.11 Las partculas colocadas en el seno del lquido en un punto por encima del nivel de alimentacin, han de sedimentar en contra de la corriente del lquido que fluye en sentido ascendente, por lo que la velocidad ser menor que la lmite correspondiente. Las partculas por debajo del nivel de alimentacin se ven favorecidas por la corriente originada por la purga de fangos por el fondo del aparato, su velocidad real ser mucho mayor que la lmite. El inters de las operaciones industriales puede estar en obtener un flujo libre de slidos, clarificador, o espesar los slidos para posterior tratamiento o aprovechamiento, espesador o decantador. As, las funciones de un decantador son,

Producir lquido claro; lo que implica que la velocidad ascendente del lquido ha de ser menor que la de sedimentacin de las partculas. La capacidad de clarificacin depende del dimetro del depsito.

Producir el espesamiento del slido, que est controlado por el tiempo de resistencia de las partculas en el depsito, lo que depende de la profundidad existente por debajo de la entrada de la alimentacin.

Para un determinado decantador, la capacidad de produccin aumenta con la velocidad de sedimentacin, sta se puede incrementar artificialmente mediante:

La adicin de electroltos que provoquen la precipitacin de los coloides y la formacin de flculos, objeto de estudio en el apartado 7.

El aumento de la temperatura de la suspensin que disminuye la viscosidad del lquido y facilita el aumento de tamao de las partculas.

A escala industrial los decantadores o sedimentadores pueden funcionar en continuo o discontinuo. El espesador discontinuo es un depsito cilndrico de hormign provisto de un fondo cnico con una inclinacin de 50 a 70 grados con respecto a la horizontal y se construye de un dimetro entre 5 y 8 m mximo. La sedimentacin se desarrolla durante un cierto tiempo, para retirar despus el lquido claro, por la parte superior, mediante un sistema de tuberas. El slido espesado se elimina desde el fondo. Decantadores continuos, los dos tipos de equipos utilizados en sedimentacin continua son de forma circular o rectangular, dependiendo la eleccin de uno u otro de factores como tamao de la instalacin, terreno disponible, experiencia del contratista, estimacin de coste, etc. Los sistemas de alimentacin y de salida del agua son diferentes en funcin de la forma del decantador; el de forma circular se alimenta por el centro y las aguas clarificadas son recogidas por la periferia; en los decantadores rectangulares la alimentacin se hace por uno de los lados cortos y el agua sale por el lado opuesto. Los elementos de entrada y salida de los decantadores son de gran importancia, para evitar la perturbacin de la entrada del agua se instalan deflectores; en decantadores circulares se instala una corona de reparto en la cual se hace la alimentacin. El elemento de salida del decantador est constituido por un canal al que llega el agua

SEDIMENTACION.12 clarificada mediante vertedero, el cual es de tipo triangular con un ngulo de 60 grados. La evacuacin de los fangos comprende la acumulacin, el almacenamiento y la extraccin. La acumulacin se hace por gravedad, en este caso el decantador termina en un fondo inclinado. Si las dimensiones son elevadas es preciso emplear equipos mecnicos que acumulan los fangos sedimentados en uno o varios puntos fijos de extraccin, para lo cual se utilizan rasquetas que barren la solera del decantador. En los decantadores rectangulares los fangos depositados en el fondo son arrastrados hasta uno de los extremos por un sistema de cadenas transportadoras sinfn; sujetas a las cadenas y cada 3 m se colocan unos tablones de madera o poliester de 0,15 a 0,20 m de profundidad; todo el conjunto se mueve entre 0,3 y 1,2 m/min. los slidos arrastrados por este sistema son depositados en un canal transversal desde donde se eliminan mediante un equipo de bombeo. En los decantadores circulares el equipo de rasquetas puede adoptar dos alternativas diferenciadas por su sistema de accionamiento que puede ser central o radial y unido a l una estructura de rasquetas que pueden adoptar diferentes formas que arrastran las partculas del fango desde la periferia al centro del decantador. Un tema tambin muy importante es la eliminacin de espumas y flotantes que se producen en el proceso; para ello se dispone delante del vertedero de salida de agua una chapa deflectora que evita la salida de los flotantes. Para la acumulacin de los mismos, los sistemas de rasquetas disponen en superficie de barredoras superficiales que arrastran los flotantes hasta los puntos de extraccin. En los decantadores rectangulares las mismas cadenas sinfn que barren el fondo, en la vuelta, recorren la superficie arrastrando las espumas y los flotantes hasta los puntos de extraccin.

Figura 5.8.-Sedimentador de seccin circular En cuanto a dimensiones, para los equipos circulares se recomiendan unas medidas entre 12 y 30 m de dimetro, no superando en cualquier caso los 40 m; la altura vara entre 2 y

SEDIMENTACION.13 4,2 m. La longitud mxima de un decantador rectangular es de unos 70 m y la profundidad entre 2,25 y 5 m con una relacin longitud/anchura de 4,2/1 y hasta 25/1. En la figura 5.8 se muestra un decantador circular. 6.-Ecuaciones de diseo de un decantador Los parmetros de diseo de un sedimentador son:

Velocidad ascensional, o carga superficial, que es el cociente de caudal de fluido y la superficie del depsito de sedimentacin.

Tiempo de retencin, que es volumen del deposito de sedimentacin dividido por el caudal; se puede sustituir ste parmetro por la altura del sedimentador.

Por tanto, el diseo de un decantador lleva consigo la determinacin del rea y la profundidad del sedimentador, en funcin del caudal y de las caractersticas de la alimentacin, as como de la concentracin de la suspensin que abandona el sedimentador por la parte inferior del mismo. La figura 5.9 corresponde al esquema de un sedimentador, con las siguientes caractersticas,

-Caudal de alimentacin, Q0 (m3/h) -Concentracin de slidos en la alimentacin C0 (kg slido/kg lquido) -Slidos en la alimentacin S0 (kg slido/h)=Q0C0l

Figura 5.9.-Balance de materia de un sedimentador.

SEDIMENTACION.14 rea del decantador, haciendo un balance de materia en la seccin "a b"

Q = Q1 = Q0 - Q2

Teniendo en cuenta que S2 = Q2 C2 l puede escribirse que,

=

ll CS

CSQ 2

2

0

0

Lo que resulta una velocidad ascensional del fluido,

==

lssa

CS

CS

AAQV 2

2

10

01

Admitiendo que toda la materia slida que entra en el sedimentador sale del mismo por la parte inferior, es decir S0=S2, se podr poner,

=

20

0 11CCA

SVls

a

Expresin que permite calcular la velocidad ascensional del flujo en el sedimentador. La velocidad de sedimentacin Vs de una partcula para que sedimente ha de ser superior a la velocidad ascensional del lquido luego,

20

0 11CCA

SVls

s

Lo que permite escribir,

20

0 11CCV

SAls

s La nica variable desconocida es la velocidad de sedimentacin Vs, que es funcin de la concentracin existente en la zona de sedimentacin, cuyo clculo se hace experimentalmente segn se indic con anterioridad, pendiente del tramo recto de la curva de la figura 5.7.

SEDIMENTACION.15 Profundidad del decantador, se desglosa en tres partes:

h1=Inclinacin del fondo de salida de la suspensin concentrada, entre 30 y 60 cm.

h2=Sumersin de la alimentacin, entre 30 y 100 cm por debajo de la superficie. h3=Zona de compresin, se calcula conociendo el volumen de esta zona y una

vez sabido el tamao de la seccin del sedimentador. Siendo el volumen de la zona de compresin igual a la suma de los volmenes ocupados por los slidos y el lquido,

( )

dCSSV

c ls

ct

+=

c= tiempo crtico. = tiempo de retencin, el lodo alcanza la concentracin deseada

( )

dCSSV

cls

ct

+= 1

La integral de segundo miembro se calcula grficamente despus de sustituir C por,

hChC 00=

h0 es la altura inicial de la suspensin en la probeta, ensayo de laboratorio.

C0 es la concentracin inicial de la suspensin La altura de la suspensin en un momento del experimento es h C es la concentracin de la suspensin en un momento de la experimentacin El lmite inferior de la integracin es el tiempo crtico, c, que es el tiempo en el cual el experimento de sedimentacin discontinua diferencia solamente dos zonas, la de lquido

clarificado y la de suspensin. Se calcula a partir de la grfica ( ;0

hhhh

).

El lmite superior es el tiempo de retencin, , necesario para conseguir una determinada concentracin de slidos en el decantador, C. Se calcula a partir de los datos del ensayo discontinuo y la relacin h0C0=hC, se despeja h y se interpola en la tabla de datos (altura, tiempo) Una vez calculado el volumen de la zona de compactacin se calcula la profundidad de la zona de compresin, dividiendo el volumen entre la seccin o rea del decantador. Finalmente, la suma de h1,2,3 es la profundidad del decantador.

SEDIMENTACION.16 Otro planteamiento en el diseo de un decantador, al margen del explicado con anterioridad, es el que se expone a continuacin:

La velocidad de sedimentacin en el interior del tanque se considera que es suma de la velocidad de sedimentacin calculada en el ensayo discontinuo, uc, y a la velocidad de sedimentacin debida a la existencia de una corriente de salida de slidos por la parte inferior del decantador, ur. En el interior del tanque, la velocidad volumtrica de sedimentacin de slidos, q, (vol. slidos/s) tiene la siguiente expresin,

( ) ( )

+=

TotalVol

SlidosVolCmAsmuu

sSlidosVolq rc

... 2

A,rea del sedimentador C, fraccin de slidos en la suspensin en el interior del sedimentador

La velocidad volumtrica de sedimentacin en las condiciones de salida es, ( ) uru ACuuq +=

uu, velocidad de sedimentacin en la condiciones de salida Cu, fraccin de slidos en la suspensin en la condiciones de salida

Despejando ur, en la ecuacin anterior uu

r uACqu = y sustituyendo en la primera,

ACuACquq u

u

c

+= reagrupando trminos ucu

uuACq

ACq =

u

uc

CC

uuAq

11 = como uc>>uu CC

CCuAq

u

uc =

La velocidad volumtrica de sedimentacin, q (vol. slidos/s), se puede poner en funcin del caudal total, Q, y de la fraccin de slidos, C.

=

totalVol

SlidosVolCsTotalVolQ

sSlidosVolq

....

Por tanto,

==

ucc

u

u CC

uQA

uCC

CCQC 1

SEDIMENTACION.17 En lugar de utilizar C y Cu, fracciones volumtricas de slido en el interior del decantador y en la salida del fango; por mayor facilidad, se puede utilizar,

Y, que es la relacin de lquido y slido presentes en la alimentacin, y U, que es la relacin de lquido y slido presentes en la corriente de salida,

( )sC

CPesoSlido

oPesoLquidY == 1 ( )

su

u

CC

PesoSlidooPesoLquidU

== 1

+= sY

C11

+=

su

UC

11

Por tanto, s

s

u YU

CC

++= y la ecuacin

=

uc CC

uQA 1 queda como,

+=

++=

s

ss

cs

s

c YUY

uQ

YU

uQA

1 como

sYC

+= finalmente,

( ) ( )

c

ss

c uUYQCCUY

uQA =

=

El valor de A se calcula para toda la gama de concentraciones presentes en el espesador, tomando como dato de diseo el ms elevado.

El clculo aproximado de la profundidad de la zona de espesamiento se hace

teniendo en cuenta el volumen de slido y de lquido presente en esta zona y el rea, A,

+=+ X

AWt

AXWt

AWt s

s

RR

s

R

11

tR, tiempo de retencin para alcanzar la concentracin deseada, dato experimental W, velocidad msica de alimentacin de slidos (kg/s) X, relacin media de la masa de lquidos y la masa de slido en la zona espesamiento

En el diseo real a partir de los ensayos de laboratorio los parmetros calculados se afectan de ciertos factores de seguridad debido a los desajustes existentes entre un depsito de sedimentacin ideal y uno real. Estos factores de seguridad consisten en mayorizar la altura del sedimentador por un factor entre 1,5 y 2; y minorizar la velocidad de sedimentacin por un factor entre 1,25 1,75.

El clculo de un decantador tambin se suele hacer basndose en las experiencias que

SEDIMENTACION.18 a lo largo del tiempo ha sido acumulada sobre un tipo de suspensin; este es el caso de decantadores para el tratamiento fisico-qumico de aguas residuales urbanas. A continuacin de describen los parmetros de diseo para estos decantadores. La Direccin General de Obras Hidralicas en sus Pliegos de Base para concursos de proyecto y ejecucin de estaciones depuradoras, impone limitaciones a los valores de parmetros de diseo. Entre estos parmetros esta el caudal de efluente por metro lineal del vertedero de salida, para as evitar el arrastre de fangos del fondo del vertedero. Asimismo, se limita la velocidad ascensional del agua, el tiempo de retencin y la altura. Lo expuesto obliga a adoptar profundidades entre 2 y 2,6 m. Se limita la velocidad mxima de desplazamiento de las rasquetas y el tiempo mximo de retencin de los fangos en la poceta de almacenamiento, para evitar la anaerobiosis y la reflotacin de los fango, lo que disminuira los rendimientos del decantador. Otros datos de diseo son,

La corona de reparto en un decantador circular de alimentacin central, cuyo dimetro ha de ser 0,05 a 0,20 veces el dimetro del decantador; la altura entre 1/3 y 1/5 la profundidad mxima del decantador.

La pendiente de solera de un decantador rectangular suele ser del 1 %; en uno circular

vara de entre un 2 y un 8 %. En un decantador rectangular la relacin longitud/altura toma valores entre 4 y 35; la

longitud/anchura est entre 1,5 y 7,5. en los decantadores circulares el radio/altura toma valores entre 2,5 y 8.

La potencia de los motores que mueven las rasquetas han de ser 0,001 CV por m2 de

superficie en los decantadores circulares y 0,01 en los rectangulares. Los rendimientos pueden llegar a ser del 80 % de eliminacin de materia orgnica

medida como DBO5. En la tabla 5.1 se recogen estos parmetros.

Tabla 5.1.-Parmetros de diseo decantador primario (En aguas residuales urbanas)

Velocidad ascensional 1 h (caudal mximo)

Carga vertedero, caudal mximo

65 %

Velocidad rasquetas

SEDIMENTACION.19 Las partculas en suspensin de tamao muy pequeo o con caractersticas coloidales son difciles de separar de la suspensin debido a la baja o nula velocidad de sedimentacin. En estos casos es preciso recurrir a procesos de neutralizacin de las cargas de los coloides y facilitar la agrupacin de las partculas en otras de mayor tamao para que se incremente la velocidad de sedimentacin. Los trminos de coagulacin y floculacin son utilizados indiscriminadamente pese a que entre ellos exista una clara diferencia: El proceso de coagulacin es el producido por la adicin de determinados productos qumicos a una dispersin de tipo coloidal, produciendo una desestabilizacin de las partculas coloidales mediante la neutralizacin de las cargas inicas que tienden a mantenerlas separadas. En esta fase es muy importante conseguir una distribucin rpida y homognea del coagulante con el fin de aumentar las oportunidades de contacto entre ste y las partculas. El proceso de floculacin favorece la formacin de puentes de unin entre las partculas, fenmenos de tipo fsico, dando lugar a partculas de mayor tamao y fcilmente sedimentables 7.1.-Estado coloidal Partculas de 0,1 a 0,001 m de dimetro que se encuentran dispersos uniformemente en un medio homogneo, tienen una gran superficie especfica (1 cm3 de partculas de 0,01 m tienen una superficie de 605 m2). Dos fenmenos importantes tienen lugar en la superficie de los coloides

-Tendencia a concentrar, sustancias existentes en el medio, en la superficie. -Tendencia a desarrollar una carga elctrica en relacin al medio circundante.

Segn la teora de Stern, en el coloide existen dos capas diferenciadas,

Una capa interna slidamente ligada a la partcula, y compuesta exclusivamente por iones de signo opuesto a la partcula.

Una capa difusa, donde la intensidad de iones de signo opuesto a la del slido disminuye progresivamente.

Esta segunda capa no tiene un lmite definido y se le atribuye un espesor arbitrario ; una parte de esta capa difusa, la ms prxima a la capa primera, est relativamente ligada al slido. Ms all, la capa cargada es ms mvil, existiendo entonces, un plano de deslizamiento de las molculas del lquido, el potencial en este plano de deslizamiento se denomina potencial zeta. Las impurezas del agua como slice coloidal, arcillas, partculas orgnicas, etc, presentan caractersticas coloidales con carga negativa, en pH prximo a 7; los hidrxidos de hierro y de aluminio presentan carga positiva. En el caso de partculas negativas, la carga puede considerarse como el resultado de una accin en tres fases; en primer lugar los coloides adsorben iones OH-, Cl-; a continuacin un nmero reducido de iones de signo contrario como H+, iones metlicos, etc, son retenidos

SEDIMENTACION.20 en la proximidad del coloide cargado y atrado intensamente por la carga, formando una pelcula lquida fija con lmites bien definidos, y finalmente, nuevos iones de signo contrario al del ncleo, se disponen de forma libre y dispersa en la suspensin, con una concentracin mayor en las proximidades de la capa fija. En la figura 5.10. se ve la distribucin de cargas en las proximidades de la superficie de una partcula de hidrxido frrico en disolucin, obtenida por dispersin de FeCl3 en agua.

Figura 5.10.-Diagrama de distribucin de carga en la proximidades de una partcula de Fe(OH)3 en solucin, obtenida por dispersin de FeCl3. El potencial zeta (mV) es la diferencia de potencial entre el lmite de la pelcula lquida de solucin rgidamente asociada a la partcula coloidal y la masa de la suspensin.

-3 < Z < 3 floculacin -20 < Z < -10 inicio floculacin -30 < Z < -20 dbil estabilidad -100 < Z < -30 estabilidad

7.2.-Desestabilizacin de partculas coloidales. Se realiza a travs de diferentes mecanismos:

Compresin de la doble capa, aumentando la concentracin de contraiones y disminuyendo la energa potencial de repulsin entre partculas permitiendo que se asocien.

Neutralizacin de la carga por adsorcin de contraiones en la superficie de la

partcula; por este mecanismo, si se incremente la dosis de coagulante cambia la carga del coloide, obtenindose un nuevo coloide.

SEDIMENTACION.21 Inmersin en un precipitado o flculo de barrido. Algunos coagulantes forman con

el agua productos de baja solubilidad que precipitan y arrastran la materia coloidal. Enlace entre partculas por adsorcin, algunos coagulantes son capaces de crear

enlaces entre las partculas coloidales al ser adsorbidas por estos radicales o extremos de la estructura del coagulante, uniendo, de esta forma, las partculas coloidales.

Los mecanismos por los que un coagulante puede producir la desestabilizacin depende del tipo de producto empleado,

Los polmeros orgnicos sintticos de tipo aninico, por enlace entre partculas Los polmeros catinicos, por neutralizacin de cargas Las sales de hierrpo y aluminio, por flculos de barrido o por neutralizacin de

carga, en funcin de la dosis del coagulante o la concentracin coloidal. El tiempo de desestabilizacin de los coloides es muy pequeo, unos segundos, por lo que es necesario producir una buena mezcla de agua y coagulante. Otros factores que afectan a la desestabilizacin son la dosis de coagulante empleada, la energa de agitacin de la mezcla, el pH de agua, el tiempo de coagulacin, la alcalinidad, la concentracin de iones de calcio y magnesio, sufatos, fosfatos, etc. La aplicacin de coagulantes-floculantes a una suspensin para mejorar la velocidad de sedimentacin se compone de tres etapas secuenciales,

Adicin de los coagulantes a la suspensin situada en un depsito de mezcla, para

la desestabilizacin de los coloides. Suave agitacin para favorecer la floculacin, y conseguir la formacin de

agregados de suficiente tamao, que sedimenten con una velocidad adecuada. Separacin slido-lquido, en un decantador.

7.3.-Tipos de coagulantes-floculantes Tradicionalmente como coagulantes se han utilizado sustancias inorgnicas como sales de aluminio y de hierro y como floculantes slice activa. Estos productos estn siendo sustituidos por polmeros orgnicos solubles en agua denominados polielectrolitos. Los polielectrolitos son polmeros lineales de elevado peso molecular, solubles en agua, efectivos a concentraciones muy pequeas que poseen grupos activos distribuidos a lo largo de la cadena que tienen gran afinidad por las superficies slidas. Estos compuestos tienen caractersticas de electrolitos simples con carga elctrica y grupos ionizables, capaces de

SEDIMENTACION.22 experimentar disociaciones electrolticas para dar iones altamente cargados. Se clasifican en catinicos, aninicos, y no inicos dependiendo de la carga residual del polmero. Los polielectrolitos aninicos estn representados por poliacrilamidas, cido poliacrlico (poliacrilatos, polimetacrilatos), poliacrilnitrilos hidrolizados, cido poliestireno sulfnicos, cido polivinilsulfnico y derivados de celulosa como carboximetilcelulosa. Entre los polielectrolitos catinicos estn las poliacrilamidas parcialmente sustituidas por amonio cuaternario, polietileniminas, polivinilaminas, polivinilpiridinas y copolimeros como estiren-cido maleico, cido acrlico-cido maleico, ter vinilmetlico-cido malico, etc En la tabla 5.2 se muestran los productos ms utilizados, dosis y pH de aplicacin. Tabla 5.2.-Coagulantes- floculantes ms comunes, dosis y pH de aplicacin

Reactivo Dosis mg/l pH

Cal 150-500 9-11

Sulfato aluminio 75-250 4,5-7

Cl3Fe /Cl2Fe SO4Fe 7H2O

35-150 70-200

4-7

Polm. Catinicos 2-5

Polm. Aninico 0,25-1,0 8.-Bibliografia. COSTA LOPEZ, J. "Curso de Qumica Tcnica" Ed. Revert (1991) COULSON J.M./RICHARDSON J.F. "Ingeniera Qumica" Vol 1 y 2. Ed. Revert

(1979-81). HERNANDEZ MUOZ A. "Depuracin de aguas residuales" Col. Ing. Caminos Canales

y Puertos. Coleccin Senior n 9. (1990) McCABE W.L./SMITH J.C. "Operaciones Bsicas de Ingeniera" Ed Revert (1969). PERRY D.H./CHILTON C.H. "Manual del Ingeniero Qumico" Ed. Mc Graw-Hill (1982). RAMALHO R. S. "Tratamiento de aguas residuales" Ed. Revert (1991) VIAN A. "Elementos de Ingeniera Qumica" Ed. Alhambra (1975).