TEMA 11. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS I: TRATAMIENTOS FÍSICOS 11.1. REJAS 11.2. TAMICES 11.3. SEDIMENTACIÓN 11.3.1. TIPOS DE SEDIMENTACIÓN 11.3.2. DESARENADORES 11.3.3. TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIOS 11.3.4. TANQUES DE SEDIMENTACIÓN SECUNDARIOS 11.4. FILTRACIÓN 11.4.1. FILTRO DE ARENA 11.5. FLOTACIÓN 11.5.1. FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO

OBJETIVOS DEL TEMA Comprender la diferencia entre el tratamiento de aguas residuales y tratamiento de aguas potables Conocer la aplicabilidad de las operaciones de desbaste, sedimentación, filtración y flotación en el tratamiento de aguas Comprender los fundamentos de estos sistemas de tratamiento, así como las principales características de los equipos más habitualmente empleados Ser capaz de realizar diseños básicos de rejas, desarenadores, tanques de sedimentación primarios y secundarios

LAS AGUAS REQUIEREN DISTINTOS TRATAMIENTOS DEPENDIENDO DE SI SE TRATA DE:  Potabilizar aguas brutas (ETAP)  Tratar aguas residuales (EDAR) El objetivo de la depuración de la aguas residuales (urbanas o industriales) es reducir la contaminación de las mismas para hacer admisible su vertido al medio acuático natural (en algunos casos se puede reutilizar para riego, industria) AGUAS RESIDUALES URBANAS Agua residual doméstica (viviendas, instalaciones comerciales, públicas...): materias fecales, tierra, arena, productos de limpieza, grasas y restos de alimentos (materia orgánica, sólidos, nutrientes, microorganismos) Agua residual industrial (pequeña industrias ubicadas en el casco urbano) Agua pluvial (escorrentía superficial e infiltraciones) AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Gran variabilidad incluso dentro de una misma industria: aguas de proceso, aguas de refrigeración, aguas de limpieza

Un tratamiento típico de aguas residuales comienza eliminando los sólidos, empezando por los de mayor tamaño LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO PUEDEN SER: Físicos  Químicos  Biológicos Los procesos de tratamiento físicos son aquellos en los que se aplican fuerza físicas o principios físicos a la eliminación de contaminantes del agua TRATAMIENTOS FÍSICOS SON:  Operaciones de desbaste (rejas, tamices)  Sedimentación  Filtración  Flotación

Fig. 11.1. Clasificación de los sólidos en un agua residual urbana típica (Kiely, 1999)

11.1. REJAS Barras paralelas de diferentes secciones separadas una cierta distancia que se sitúan en posición transversal al caudal de tal forma que el agua ha de pasar a través de ellas quedando los sólidos retenidos Objetivo: Separar sólidos de gran tamaño (protección de equipos aguas abajo y evitar obstrucciones en canales) (AR y AP) Es el primer equipo de desbaste Generalmente se colocan formando un ángulo con la vertical (45-60º)

SEGÚN EL SISTEMA DE LIMPIEZA: Limpieza manual: pequeñas instalaciones Limpieza automática: peine móvil Velocidad de aproximación en el canal: 0,3-0,6 m/s (limpieza manual) y 0,6-0,9 m/s (limpieza mecánica) Velocidad de paso a través de las rejas: 0,6-1,2 m/s Ancho del canal A = anchura del canal de rejas (m) Q max =caudal máximo (m3/s) V max = velocidad maxima en la reja (m/s) H = altura lámina de agua a = anchura de las barras expuestas al agua (m) C = porcentaje de reja que queda libre (es habitual usar 0,7)

PÉRDIDA DE CARGA: Existen distintas ecuaciones propuestas A medida que se va atascando aumenta la pérdida de carga. Se puede estimar multiplicando por (100/C)2, siendo C el porcentaje de reja que queda libre ECUACIÓN DE KIRSCHMER (para rejas limpias) ∆H = pérdida de carga = factor de forma de las barras a = anchura de las barras (m) s = separación entre barras (m) v = velocidad de aproximación en el canal de la reja (m/s) g = gravedad (m/s2) α =ángulo de reja con la horizontal

11.2. TAMICES Filtración sobre soporte con perforaciones o enrejado muy fino con tamaño de paso más pequeño que las rejas (va colocado a continuación de las rejas) Macrotamizado: 0,3-10 mm (habitual en AR) Microtamizado: < 0,1 mm (se usa para AR y AP) EN AGUAS RESIDUALES SE USA:  Sobre todo en operaciones de desbaste (después de las rejas)  Los tamices de tamaño medio y fino también puede emplearse en la eliminación de arenas y sólidos suspendidos (como sustituto de tanques de decantación primarios y secundarios; menos eficaz, pero más económico)

TAMIZ INCLINADO ESTÁTICO Se utiliza para tamaños gruesos o medios (desbaste o tratamiento primario) Hay que limpiarlo cada cierto tiempo con agua a presión y un agente desengrasador TAMIZ ROTATORIO La malla se monta sobre un cilindro giratorio que se coloca en un canal El agua puede circular de dentro a fuera o de fuera a dentro Los sólidos son recogidos en una pileta y pueden emplearse chorros de agua pulverizada que favorezca la eliminación de los sólidos del tamiz Se usa para el macrotamizado o microtamizado TAMIZ DESLIZANTE Se utiliza para tamizado grueso y medio

Fig. 11.2. Elementos de desbaste y tamizado típicos empleados en el tratamiento de las aguas residuales: a) tamiz inclinado estático autolimpiante, b) tamiz de tambor rotatorio, c) tamiz de disco giratorio, d) tamiz centrífugo (Metcalf and Eddy, 2000)

11.3. SEDIMENTACIÓN Es una operación de separación sólido-fluido en la cual las partículas de un agua residual se separan por acción de la gravedad debido a la diferencia de densidades En el caso de las aguas residuales urbanas, en una planta clásica de lodos activos, la sedimentación se utiliza en tres de las fases del tratamiento: En los desarenadores, en los que se elimina principalmente materia inorgánica (arenas) En los sedimentadores primarios donde se elimina materia en suspensión En los sedimentadores secundarios, en donde los lodos precedentes del tratamiento biológico se separan del efluente tratado

11.3.1. TIPOS DE SEDIMENTACIÓN TIPO 1 O DE PARTÍCULAS DISCRETAS Es propio de suspensiones con baja concentración de sólidos Las partículas sedimentan como entidades individuales y no existe interacción con las partículas vecinas Ej. Eliminación de arenas del agua residual (desarenador) TIPO 2 O FLOCULENTA Es propio de suspensiones diluidas de partículas que se juntan o floculan durante la operación de sedimentación La aglomeración de las partículas va acompañada de cambios en su velocidad de sedimentación Ej. Eliminación de sólidos en suspensión en los tanques de decantación primarios

TIPO 3 O RETARDADA Se da en suspensiones de concentración intermedia en las cuales las fuerzas interpartículas son suficientes para entorpecer la sedimentación de las partículas vecinas Las partículas tienden a mantener posiciones relativas fijas y sedimentan como una unidad, desarrollándose una interfase sólido-líquido en la parte superior de la masa que sedimenta Ej tanque de sedimentación secundario donde se separan los lodos biológicos TIPO 4 O POR COMPRESIÓN Se da en suspensiones donde la concentración de partículas es tan alta que se forma una estructura y la sedimentación se produce por compresión de esta estructura Ej. Fondo del tanque de sedimentación secundario donde se van sedimentando los lodos

11.3.2. DESARENADORES Son canales de sección mayor que la de entrada de manera que la velocidad de circulación sea tal que permita la sedimentación de las partículas de “arena”, pero evite la sedimentación de las partículas orgánicas Separan partículas con peso específico 1,3-2,7 principalmente de naturaleza inorgánica (protegen posteriores elementos de la abrasión, evitan depósitos en tuberías y equipos posteriores) En ARU suelen ir combinado con desengrasado y se colocan después del desbaste y antes del tratamiento primario Los más tradicionales son de flujo horizontal (v~0,3 m/s; tiempo de residencia hidráulico = V/Q ~1 min), aunque también los hay de flujo vertical Sedimentación de partículas discretas

VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN PARA FLUJO LAMINAR (LEY DE STOKES): En un desarenador de flujo horizontal se cumple que la velocidad ascensorial o carga de superficie (Vc), debe de ser igual a la velocidad de sedimentación de las partículas que son eliminadas con una eficacia del 100%. Todas las partículas que tengan un velocidad de sedimentación mayor que Vc también son eliminadas al 100% Suponiendo que el flujo sea laminar, sin turbulencia, y que las partículas de los distintos tamaños estén distribuidas uniformemente por toda la profundidad a la entrada, las partículas con Vp < Vc se eliminarán en la proporción Así, para un tamaño de sedimentador y una distribución determinada de velocidades de sedimentación (se puede obtener experimentalmente), la eficacia de la separación será: Fracción de partículas con Vp ≥ Vc Fracción de partículas eliminadas con Vp < Vc

Es frecuente el empleo de modificaciones con sistemas de inyección de aire que evitan la sedimentación de la materia orgánica de manera que las arenas se sacan más limpias Los tiempos de residencia son más altos (2-5 min) con lo que mejor la eficacia en la separación DESARENADOR AIREADO DE FLUJO HELICOIDAL El agua residual se debe introducir en el elemento siguiendo la dirección de rotación El aire se introduce lateralmente a lo largo del canal por la parte inferior lo que ocasiona un movimiento en espiral del agua perpendicular a la dirección del flujo Para la extracción de arenas, los desarenadores aireados se suelen proveer de cucharas bivalvas

11.3.3. TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIOS En ARU van después del desarenado y eliminan principalmente sólidos de naturaleza orgánica (eliminaciones del 50-70% de SS y del 25-40% de DBO5) Pueden ser rectangulares o circulares (TRH = V/Q ~2 h; velocidades de carga superficial = Q/S: 32-48 m3/m2 día) TANQUE DE SEDIMENTACIÓN RECTANGULAR  En los tanques de sedimentación rectangulares la distribución del flujo a la entrada del tanque es un factor crítico  Para la eliminación del fango pueden incorporar sistemas de rascado de fango con rascadores accionados por cadenas o con puentes de traslación  El fango es conducido a un canal de fondo transversal

TANQUE DE SEDIMENTACIÓN CIRCULAR  El agua residual se introduce por el centro y pasa a una campana circular que distribuye el flujo uniformemente en todas direcciones  El diámetro de la campana varía entre el 15 y el 20% del diámetro del tanque, con una profundidad entre 1 y 2,5 m  Dispone de un puente rascador equipado con rascadores de fondo y también superficiales para la eliminación de espumas Fig. 11.3. Parámetros típicos de aguas residuales urbanas antes y después de la decantación primaria (Kiely, 1999)

Fig. 11.4. Decantador primario circular típico (Kiely, 1999)

11.3.4. TANQUES DE SEDIMENTACIÓN SECUNDARIOS Son los que van después de un tratamiento biológico para separar los lodos activos (sedimentación retardada) En cuanto a su diseño son similares a los primarios (más frecuentemente circulares) Pueden disponer de sistemas de recogida de fango con aspiración Existen distintos métodos para su diseño, una estimación aproximada de la superficie necesaria se puede hacer empleando el método gráfico de Talmadge y Fitch ES NECESARIO CALCULAR DOS ÁREAS:  El área de la superficie mínima que se requiere para conseguir el espesamiento deseado de lodos  El área de la superficie mínima que se requiere para conseguir la clarificación del agua  Se considerará la mayor de estas superficies como área de diseño Fig. 11.5. Esquema del método gráfico de Talmadge y Fitch (Kiely, 1999)

Fig. 11.6. Esquema de un decantador secundario (Kiely, 1999)

CÁLCULO DEL ÁREA DE ESPESAMIENTO  A partir de ensayos experimentales se obtiene la curva de sedimentación altura vs tiempo  Se traza la tangente a la curva en la zona de sedimentación retardada y en la zona de sedimentación por compresión Se traza la bisetriz del ángulo que forman y la tangente a la curva en el punto donde la bisetriz corta a la curva  Se calcula Hu a partir de Cu y se traza la horizontal por Hu  En el punto de corte con la tangente a la curva se traza la vertical y se obtiene tu con el que se calcula Ae Ae = superficie necesaria para el espesado de los fangos Q = caudal a tratar H0 = altura inicial de la columna tu = tiempo necesario en segundos, para alcanzar la concentración de fangos deseada en el fondo del tanque (Cu) que se determina gráficamente en la curva de sedimentación, conociendo Cu (concentración deseada en el fondo del tanque). Hu es la profundidad en la que la concentración de los sólidos es Cu

CÁLCULO DEL ÁREA DE CLARIFICACIÓN Se calcula la velocidad de sedimentación en la zona de sedimentación zonal (pendiente de la tangente a la curva) Se calcula el caudal de agua clarificada (Qc) y de aquí el área necesario para la clarificación (Ac)

11.4. FILTRACIÓN 11.4.1. FILTRO DE ARENA La filtración es una operación de separación sólido-fluido que consiste en hacer pasar un fluido conteniendo materia en suspensión a través de un medio filtrante que retiene las partículas EN TRATAMIENTO DE AGUAS SE UTILIZA PRINCIPALMENTE LA FILTRACIÓN EN PROFUNDIDAD EN FILTROS DE ARENA El medio filtrante es un lecho de arena (también antracita o granate) en cuyo interior quedan retenidas las partículas sólidas Flujo vertical descendente La limpieza suele ser en contracorriente (~cada 24-48 h) Se aplicó sobre todo para aguas potables y de proceso pero ahora también para aguas residuales

Fig. 11.7. Esquema de un filtro rápido de gravedad de medio dual: a) Modo de filtración descendente b) Modo de contralavado ascendente (Kiely, 1999)

Tabla 11.1. Características del medio en filtros rápidos de gravedad (Kiely, 1999)

Fig. 11.8. Filtro lento de arena (Kiely, 1999)

Tabla 11.2. Criterios de diseño para filtros lentos de arena (Kiely, 1999)

11.5.1. FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO La flotación es una operación que permite la separación de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida, basándose en la capacidad para flotar de estas partículas Se emplea para partículas menos densas que el agua o con velocidades de sedimentación muy bajas En tratamiento de ARU se emplean para eliminar grasas y aceites y en el espesamiento de fangos biológicos En ARI se emplea para eliminar sólidos poco densos Para favorecer la flotación se pueden introducir burbujas de aire, siendo lo más utilizado la flotación por aire disuelto En plantas grandes se presuriza sólo una parte del agua tratada que se recircula