1.5: Sedimentación

Objetivos de aprendizaje

Después de este capítulo deberías ser capaz de identificar y explicar:

• Proceso de sedimentación
• Zonas de la cuenca de sedimentación
• Tipos de cuencas de sedimentación
• Problemas matemáticos de velocidad
• Tiempo de detención

La sedimentación es el 3er paso en un proceso de tratamiento convencional. Ocurre después de la coagulación y floculación y antes de la filtración. La sedimentación elimina los sólidos suspendidos con el uso de la gravedad al ralentizar el flujo de agua para permitir que el material se asiente. Los sólidos sedimentables caen al fondo de la cuenca de sedimentación reduciendo la carga en el proceso de filtración. Una cuenca de sedimentación actúa como un lago en el sentido de que permite que las partículas se asienten de forma natural. Los lagos más profundos tienen agua de mucha mayor calidad que ingresa a la planta de tratamiento porque el agua es capaz de “asentarse” por un período de tiempo más largo. Las plantas de tratamiento que utilizan agua importada de fuentes de agua de mayor turbidez pueden requerir el uso de un tratamiento convencional con sedimentación para un tratamiento eficiente.

Figura\(\PageIndex{1}\): Imagen del tratamiento del agua por la EPA es de dominio público

Factores que afectan a la sedimentación

Varios factores pueden afectar el proceso de sedimentación, incluyendo las condiciones físicas y ambientales. El aumento del pretratamiento puede ser necesario cuando se presentan condiciones adversas. Los factores que afectan el proceso de sedimentación incluyen la forma y tamaño de las partículas, la densidad de las partículas, la temperatura del agua, la carga de partículas, las sustancias disueltas en el agua, los efectos ambientales y las características de la cuenca.

Como se discutió en el capítulo anterior, las partículas más pequeñas no se depositan fácilmente y su tamaño debe aumentarse con la coagulación y floculación. Las partículas más grandes y densas creadas se llaman flóculos. Partículas mayores a .01 milímetros se asentarán en el proceso de sedimentación. La forma de las partículas también es una consideración. Las partículas más suaves con bordes menos dentados se asientan más rápido y más fácil.

Las disminuciones de temperatura harán que la tasa de sedimentación disminuya. La velocidad o velocidad de sedimentación disminuye cuando la temperatura del agua es más fría. Las dosis químicas deben ajustarse durante periodos más fríos del año o son necesarios caudales menores en las cuencas de floculación.

Hay tres tipos de corrientes, superficie, densidad y remolino, que se encuentran en una cuenca de sedimentación. Las corrientes superficiales son causadas por el viento, mientras que las corrientes de densidad son causadas por las diferencias de temperatura y la concentración de sólidos. Las corrientes parásitas son causadas por el flujo de agua afluente y efluente en la cuenca de sedimentación. Las corrientes pueden ser beneficiosas ya que pueden ayudar a promover la construcción de flóculos, pero también pueden causar desembolsos desiguales de sólidos a lo largo de una cuenca de sedimentación reduciendo la eficiencia.

Zonas de sedimentación

Las cuatro zonas de una cuenca de sedimentación incluyen:

• Zona de entrada: Donde el agua entra sin problemas desde la cuenca de floculación. El agua se distribuye uniformemente por toda la cuenca de sedimentación para evitar cortocircuitos. El cortocircuito ocurre cuando el agua que ingresa a un tanque o cuenca del proceso de tratamiento se mueve rápidamente de afluente a efluente reduciendo el tiempo de detención de las aguas en un proceso dado.
• Zona de sedimentación: Es la mayor parte de una cuenca de sedimentación. El agua permanecerá aquí inalterada durante tres o más horas mientras las partículas se asientan en el fondo.
• Zona de Lodos: Ubicada en la parte inferior de la zona de sedimentación. Es donde las partículas sedimentadas se recogen en forma de lodo. Las velocidades en la parte inferior de la zona de lodos deben minimizarse para evitar que los sólidos se vuelvan a suspender.
• Zona de Salida: La ubicación donde el agua entra sin problemas a un canal o conducto. Las lavadoras también conocidas como canales de efluentes se utilizan para recolectar el agua clarificada o sedimentada.

Figura\(\PageIndex{2}\): Imagen de COC REA está licenciada bajo CC BY

Tipos de Cuencas de Sedimentación

Hay varios tipos diferentes de diseños de cuencas disponibles para ingenieros y planificadores cuando construyen una instalación de tratamiento de agua. Las cuencas rectangulares se encuentran típicamente en instalaciones de agua a gran escala debido a su tratamiento predecible y alta tolerancia a la turbidez, el color y las algas. Son rentables, requieren un menor mantenimiento y tienen menos problemas de cortocircuito. La figura anterior que representa las diferentes zonas de una cuenca de sedimentación es un ejemplo de una cuenca de sedimentación rectangular.

Las cuencas circulares y cuadradas se utilizan en áreas donde el espacio es limitado. A veces se les llama clarificadores y están sujetos a cortocircuitos en las esquinas. La variedad circular también puede incluir clarificadores de flujo ascendente o clarificadores de contacto de sólidos. En este tipo de clarificadores, los procesos de coagulación, floculación y sedimentación ocurren todos en la misma cuenca o clarificador.

Figura\(\PageIndex{3}\): Tanques de sedimentación típicos: (a) tanque de flujo horizontal rectangular; (b) tanque circular de flujo radial; (c) tanque de flujo ascendente con fondo de tolva — Imagen de The Open University está licenciada bajo CC BY-NC-SA

Tiempo de Detención

El tiempo de detención es la cantidad de tiempo que tarda el agua en viajar a través de un tanque o cuenca de sedimentación. También se le conoce como tiempo de retención. Escuchará que algunos operadores usan los términos CT y tiempo de contacto indistintamente pero es incorrecto. El término CT se discutirá con mayor detalle en el Capítulo 7. El tiempo de detención se puede utilizar para resolver ecuaciones de tiempo y flujo. Las fórmulas para ambos tipos de ecuaciones se enumeran a continuación:

Tiempo de Detención (Horas) = Volumen gal ((24 horas/día)) /Caudal gal/día

Flujo, gal/día = Volumen ((24 horas/día)) /Tiempo de detención, horas

Recordatorio: Cálculo de volumen circular (.785) (D ft) ² (Profundidad ft)

Cálculo de volumen rectangular: (L ft) (W ft) (D ft)

Las respuestas serán en pies cúbicos por lo que se multiplicarán por 7.48 gal/ ft ³ para convertir a galones.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Una cuenca de sedimentación rectangular tiene 80 pies de largo por 25 pies de ancho y 25 pies de profundidad. El flujo por día es de 2.0 MGD. ¿Cuál es el tiempo de detención en horas?

Solución

Paso Uno: calcular el volumen de la cuenca (80 pies) (25 pies) (25 pies) (7.48 gal/pie cúbico) = 374,000 galones

Paso dos: DT = (374,000 gal x 24 Horas) /2,000,000 gal día

Paso Tres: Tiempo de Detención = 4.5 horas

*Nota: los problemas más complicados te harán resolver por horas y minutos. Tenga esto en cuenta para futuras ecuaciones matemáticas que soliciten más información.

.5 horas/1 x 60 min/1 Hora = 30 min

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Una cuenca circular es de 100 pies de diámetro. La cuenca es de 25 pies de profundidad y tiene un tiempo de detención de 4 horas. ¿Cuál es el flujo por día?

Solución

Paso uno: Calcular volumen .785 (100 ft) ² (25 ft) (7.48 gal/pie cúbico) = 1,467,950 gal

Paso Dos: Flujo = (1,467,950 gal x 24 Horas) /4 horas

Paso tres: La respuesta es 8,807,700 dividir por 1,000,000 para obtener 8.807 o 8.8 MGD

Manejo y eliminación de lodos

Los lodos que se recolectan en el fondo de una cuenca de sedimentación deben eliminarse de vez en cuando por varias razones. Como se discutió anteriormente en el capítulo, los lodos pueden volverse a suspender después de sedimentar creando una mayor carga en el filtro aguas abajo. A continuación, la acumulación de lodos puede hacer que la fuente de agua se vuelva séptica. En este escenario, el crecimiento microbiológico ocurre cuando se agotan los suministros de oxígeno. Las condiciones sépticas pueden causar problemas de sabor y olor en el agua tratada y también requerir más cloro durante el proceso de desinfección. Por último, cuanto más lodo se acumula conduce a una disminución del tiempo de detención debido a que hay menos área para que el agua viaje y para que los sólidos se asienten.

Las plantas más grandes tendrán que eliminar los lodos a mayor velocidad y con la ayuda de equipos de remoción de lodos. Las plantas más pequeñas pueden eliminar los lodos manualmente con bombas sanitarias portátiles y escobilla de goma y mangueras para completar la limpieza. La cantidad de tiempo entre limpiezas puede variar con la calidad de la fuente de agua y la cantidad de agua que se está tratando. En consecuencia, las paradas para la limpieza de lodos variarán drásticamente de planta de tratamiento a planta de tratamiento.

El equipo de eliminación de lodos incluye rastrillos mecánicos, cadenas de arrastre y vuelos, y puentes móviles. El sistema de cadena y vuelo se utiliza en cuencas rectangulares. Una cadena con raspadores unidos se mueve a través del fondo de la cuenca recogiendo lodo y moviéndolo a un sumidero. Este sistema funciona bien pero tiene varias partes móviles. Adicionalmente, la cuenca debe ser deshidratada para realizar el mantenimiento. El sistema de puente itinerante también se utiliza en una cuenca rectangular. Se desplaza por toda la longitud de la cuenca. Una bomba está unida a la parte inferior del sistema y el lodo se bombea a un canal justo debajo de la parte superior de la cuenca de sedimentación. El sistema de puente es más fácil de realizar el mantenimiento porque las partes se pueden quitar de la cuenca; por lo tanto, no se requiere deshidratar toda la cuenca. Finalmente, se utilizan rastrillos mecánicos en cuencas rectangulares o circulares. Un rastrillo abarca toda la longitud de la cuenca mientras gira alrededor de la cuenca. El lodo se mueve a un canal que se puede bombear o mover por gravedad a un tanque de recolección de lodo.

Figura\(\PageIndex{4}\): Imagen de The Open University está licenciada bajo CC BY-NC-SA

Figura\(\PageIndex{5}\): Imagen de The Open University está licenciada bajo CC BY-NC-SA

Revisión y Operaciones Diarias de Cuencas de Sedimentación

En revisión, el propósito de la sedimentación es permitir que los sólidos suspendidos se asienten a través del proceso físico de gravedad. El flujo de agua se ralentiza para permitir que se produzca la sedimentación. Durante el proceso, la sedimentación puede eliminar el 95% o más del total de material sólido que los operadores eliminan durante todo el proceso de tratamiento de agua.

Las plantas de tratamiento de agua con baja turbidez o menos de 10 unidades de turbidez pueden encontrar la filtración directa o clarificación como un proceso más rentable. Un tema recurrente que debe señalarse a lo largo del texto es el hecho de que todas las instalaciones de tratamiento son diferentes y el factor que dicta los procesos de la planta incluyendo la construcción de instalaciones y la operación diaria es el agua fuente.

Las características de sedimentación del material suspendido dictan el rendimiento de la sedimentación. El caudal a través de la cuenca de sedimentación impulsa el rendimiento así como el control de lodos. Los altos caudales hacen que los sólidos se trasladen y también podrían impactar los lodos en el fondo de la cuenca de sedimentación. Los operadores deben realizar pruebas regulares de jarras y pruebas de laboratorio, así como operar cuencas de sedimentación basadas en la capacidad diseñada de la cuenca para garantizar un rendimiento óptimo. El funcionamiento incorrecto de las cuencas de sedimentación conducirá a una mayor carga en los filtros aguas abajo, lo que resultará en lavados tempranos de los filtros, un mayor uso de desinfectantes y posiblemente violaciones de nivel

Velocity Matemáticas

El movimiento del agua es obviamente algo importante para saber si eres un operador de tratamiento de agua. Necesitarás Álgebra para resolver el siguiente conjunto de problemas matemáticos del agua que tendrá dos valores conocidos y un valor desconocido. Los caudales se pueden usar para determinar las tasas de dosificación, para identificar promedios diarios, para deshidratar tuberías, para llenar tuberías y para la planificación futura de equipos de distribución y tratamiento.

Para resolver un problema de flujo, se necesita el diámetro de la tubería y la velocidad del agua (o líquido) en la tubería. El caudal se expresa como Volumen a lo largo del tiempo. La ecuación será:

\[Q(Flow) = A(area) × V(velocity).\]

Un problema de velocidad ocurre cuando el valor conocido es el diámetro de la tubería y el caudal de la tubería.

\[V(Velocity) = Q(Flow) ÷ A(Area). \]

Finalmente, el tamaño de la tubería se usa cuando el valor conocido es el caudal y la velocidad de la tubería.

\[A(Area) = Q(Flow) ÷ V(Velocity).\]

El uso adecuado del análisis dimensional es crítico cuando se intenta resolver ecuaciones de velocidad. Este tipo de problemas a menudo toman múltiples pasos porque las respuestas necesitan ser convertidas a las unidades apropiadas en función de la situación.

Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

Una tubería tiene 18” de diámetro y fluye a una velocidad de 125 pies por minuto. ¿Cuál es el flujo en galones por minuto?

Solución

Paso uno: Convertir diámetro de tubería a pies: 18 pulgadas/ (12 pulgadas/pie) = 1.5 pies

Paso Dos: Q (Flujo) = (.785) (1.5ft.) 2 (125 ft. /min)

Paso Tres: 221 pies ³ por minuto × 7.48 gal/ft ³ = 1651 gpm

Ejemplo\(\PageIndex{4}\)

El flujo de una tubería es de 2,000 galones por minuto. El diámetro de la tubería es de 24”. ¿Cuál es la velocidad de la tubería en pies por minuto?

Solución

Paso uno: Convertir unidades 2,000 gpm ÷ 7.48 gal. /ft ³ = 267 ft ³ /min. 24 pulgadas ÷ 12 pulgadas/ft = 2 pies

Paso dos: V (velocidad) = 267 ft ³ /min ÷ .785 (2 ft.) ²

Paso tres: V = 85 pies por minuto

Ejemplo\(\PageIndex{5}\)

La velocidad en una tubería es de 2 pies. /seg. y el flujo es de 3,000 gpm. ¿Cuál es el diámetro de la tubería en pulgadas?

Solución

Paso Uno: Convertir el flujo para que coincida con las unidades de medida de velocidad: 3,000 gal/min x 1 min/60 seg x 1 ft³/7.48 gal = 6.68 ft³/seg

Paso dos: Área = 6.68 ft³/seg ÷ 2 pies/seg= 3.3 pies

Paso tres: Convertir pies a pulgadas: 3.3 pies/1 × 12 pulgadas/1 pie = 40 pulgadas

Revisión del Capítulo

1. El proceso de tratamiento que implica coagulación, floculación, sedimentación y filtración se conoce como ___________.
   1. Filtración directa
   2. Filtración lenta de arena
   3. Tratamiento convencional
   4. Filtración a presión
2. La sedimentación produce desechos conocidos como ___________.
   1. Agua de retrolavado
   2. Lodos
   3. Aguas residuales
   4. Barro
3. ¿Qué tipo de proceso es el paso de sedimentación?
   1. Físico
   2. Químico
   3. Biológica
   4. Directo
4. Los vertederos en el efluente de una cuenca de sedimentación también se denominan ___________.
   1. Presas de efluentes
   2. Desconcertante
   3. Lavados
   4. Radios
5. La sedimentación se utiliza en plantas de tratamiento de agua a ___________.
   1. Sentar material patógeno
   2. Desestabilizar partículas
   3. Desinfectar el agua
   4. Reducir la carga en los filtros
6. El lavado es un término que describe las condiciones en un tanque de sedimentación que ___________.
   1. Podría impactar el resto del proceso de tratamiento
   2. Mayores caudales en la zona de lodos
   3. Resuspende los lodos de sedimentación
   4. Todo lo anterior
7. Las cuatro zonas en una cuenca de sedimentación incluyen ___________.
   1. Entrada, sedimentación, lodo, salida
   2. Entrada, filtro, residuos, salida
   3. Entrada, parte superior, inferior, salida
   4. Superficie, sedimentación, lodo, salida
8. El cortocircuito en una cuenca de sedimentación podría ser causado por ___________.
   1. Viento de superficie
   2. Colocación ineficaz de vertederos o vertederos cubiertos de algas
   3. Mala desviación en la zona de entrada de sedimentación
   4. Todo lo anterior
9. ¿Cuántos sólidos se deben eliminar durante la sedimentación?
   1. 95% o más
   2. 80-95%
   3. 70-80%
   4. 60-70%
10. El tipo de cuenca que incluye coagulación y floculación es ___________.
    1. Rectangular
    2. Triangular
    3. Flujo ascendente
    4. Ninguna de las anteriores