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CAPÍTULO 4

DECANTADORES LAMINARES

Decantadores laminares 135

1. INTRODUCCIÓN

En este capítulo trataremos exclusivamente del diseño de las unidades dedecantación de flujo laminar o de alta tasa. Los decantadores laminares puedentratar caudales mayores en un área y estructura menor de la que requieren losdecantadores convencionales y su eficiencia es superior. Comparándolos con lasunidades de contacto de sólidos o decantadores de manto de lodos, que tambiénson de alta tasa, no requieren energía eléctrica para su operación. Por todas estasventajas, esta unidad es considerada como tecnología apropiada para países endesarrollo y para todo programa de mejoramiento de la calidad del agua que tengacomo meta conseguir la mejor calidad al menor costo de producción; esto es, parala sostenibilidad de los proyectos.

2. DECANTADORES DE PLACAS

Mediante la colo-cación de placasparalelas o módu-los de diferentes ti-pos en la zona desedimentación, seobtiene en estasunidades una gransuperficie de depo-sición para loslodos, con lo cualse logra disminuirapreciablemente elárea superficial delos tanques.

Canal de agua decantada

Canal dedistribuc ión deagua floculada

Canal de descargade lodos

Canaletas de coletade agua decantada

Placas deasbesto-cemento

100 L/s

2,40 m

150

2,40 m

10 m

Figura 4-1. Decantador de placas paralelas (1)

136 Diseño de plantas de tecnología apropiada

La diferencia básica entre los decantadores laminares o de alta tasa y losdecantadores convencionales reside en que los primeros trabajan —como su nom-bre lo indica— con flujo laminar (número de Reynolds, Nr < 500) y los últimos conflujo turbulento (Nr entre 10.000 y 250.000). Esta diferencia teórica fundamentaldebe reflejarse en la forma como se diseñan unos y otros (2).

2.1 Parámetros y recomendaciones generales de diseño

El parámetro de diseño más importante en las unidades de decantación esla velocidad de sedimentación de los flóculos, que depende fundamental-mente de las características del agua cruda y de la eficiencia delpretratamiento. Por esta razón, la velocidad de diseño debe determinarseexperimentalmente para cada caso. Véase la metodología para su determi-nación en Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de fil-tración rápida. Manual I: Teoría, tomo II, capítulo 11.

Las cargas superficiales utilizadas en América Latina normalmente varíanentre 120 y 185 m3/m2/d, con eficiencias de remoción por encima del 90%(8). En cada caso, es necesario efectuar un estudio de tratabilidad del agua,para determinar la tasa de decantación con la cual se podrán obtener 2 UNde turbiedad residual en el efluente. Este criterio obedece a recomendacio-nes de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)para que los filtros puedan brindar un efluente exento de microorganismospatógenos y de huevos de Giardia lamblia y Cryptosporidium, habidacuenta de que solo el filtro puede eliminar a estos últimos cuando recibe unafluente de la calidad indicada (3).

De acuerdo con investigaciones realizadas en prototipos, las unidades sepueden diseñar con Nr de hasta 500, sin que se obtengan disminucionesapreciables en la eficiencia alcanzada (1).

En los decantadores laminares, el Nr es una consecuencia de la geometríade los elementos tubulares y de la velocidad del flujo en el interior de estos,y no una condición del proyecto (1). De acuerdo con este criterio —que seva corroborando con la experiencia práctica indicada en el ítem anterior—no es necesaria la obtención de un flujo laminar puro para mejorar la efi-ciencia del proceso.


Al utilizarse el Nr en el límite máximo del rango laminar, se consigue am-pliar la separación de las placas o la sección de los módulos, lo cual serefleja en una gran economía, al disminuir el número de placas o módulosempleados en la construcción de la unidad.

La velocidad longitudinal media (Vo) en los elementos tubulares común-mente se adopta entre 10 y 25 cm/min. En cada caso, es posible determinarla velocidad máxima del flujo mediante la expresión (1):

Vo máx. = [Nr / 8]0,5 . Vsc

Donde Vsc = velocidad de sedimentación de las partículas

Dada la gran cantidad demódulos que se precisan, esdeseable que el material seade bajo costo y muy resis-tente a la permanencia bajoel agua. Los materiales quese usan para este fin son laslonas de vinilo reforzadascon poliéster, el asbesto-ce-mento, el plástico y la fibrade vidrio.

Las lonas de vinilo reforzadas con hilos de poliéster de alta tenacidad son elmaterial más usado actualmente por sus grandes ventajas: no producenpérdidas por rotura, el sistema de instalación es más sencillo y su duraciónes muchísimo mayor. Es un material muy confiable en zonas de alto riesgosísmico.

Tradicionalmente, en este tipo de unidades se han venido utilizando las plan-chas de asbesto-cemento por su alta disponibilidad, bajo costo y resistenciaa la corrosión, con las siguientes dimensiones: 1,20 metros de alto por 2,40metros de largo, con espesores de un centímetro o de 6 y 8 milímetros,siempre y cuando hayan sido fabricadas con fibras largas de asbesto. Lasrestricciones de calidad de agua para su empleo son las mismas que sedieron en el capítulo anterior.

Figura 4-2. Módulos de decantación defibra de vidrio (4)


También se utilizan módulosde plástico y de fibra de vidrioprefabricados por su facilidadde instalación. Al elegir el plás-tico, debe consultarse con elfabricante su resistencia a laexposición directa a los rayossolares. Los módulos prefabri-cados, tanto los de plásticocomo los de fibra de vidrio,normalmente son muy delga-dos y se destruyen fácilmenteal ser sometidos a una opera-ción normal de lavado conagua a presión. En la foto de la figura 4-2 se puede percibir que con solodos meses de operación los módulos de fibra de vidrio ya empiezan a defor-marse y en la figura 4-3 se puede ver cómo terminan los de plástico al cabode unos años.

3. DECANTADORES DE FLUJO ASCENDENTE

Para optimizar el funcionamiento de estas unidades, debemos consideraren el proyecto estructuras de entrada, salida, almacenamiento y extracción de

Figura 4-3. Módulos de decanta-ción de plástico deteriorados (4)

lodos correctamente conce-bidas, a través de las cualesse debe vehiculizar el aguapara lograr el mejor compor-tamiento y la máxima efi-ciencia de la unidad. Múlti-ples evaluaciones han per-mitido determinar que la efi-ciencia de este tipo dedecantador está estrecha-mente ligada al comporta-miento hidráulico de la uni-dad.

Figura 4-4. Decantador de placasde flujo ascendente (2)

Drenaje de lodos

Canal colector de aguadecantada Tubería recolectora de agua

decantada

Canal distribuidor deagua floculada

Orificio deentrada

Placas deasbesto-cemento


Zona de entrada. Canal o tubería que distribuye de manera uniforme elagua floculada al módulo de placas. Véase el segundo piso del canal central en lafigura 4-4.

Zona de decantación. Mediante pantallas paralelas de lona, planchas deasbesto-cemento, fibra de vidrio, etcétera.

Zona de salida. Sistema de recolección del agua decantada mediantecanaletas, tuberías perforadas (véase la figura 4-4) o vertederos perimetrales,dependiendo del tamaño o capacidad de la unidad.

Zona de depósito y extracción de lodos. Tolvas de almacenamientocontinuas y múltiples. Sistema hidráulico de extracción uniforme de lodos, me-diante colector múltiple y sifones.

4. ZONA DE ENTRADA

Esta zona tiene como objetivo distribuir el caudal de manera uniforme atodas las unidades que operan en paralelo y a lo largo del módulo de placas. Estafunción la desempeñan dos canales con diferente ubicación.

4.1 Criterios de diseño

Si se proyectan canales de sección variable, se consigue distribuir el caudalde manera uniforme a varias unidades, para que la velocidad se mantengaconstante.

La sección del canal puede tener ancho constante y profundidad variable oancho variable y profundidad constante. Los canales del primer tipo son losmás convenientes porque permiten compactar más el área de la planta. Lafigura 4-5 muestra un canal de ancho variable. En plantas grandes el anchode este canal puede ser de varios metros, por lo que resulta muy convenien-te que tenga un ancho constante y que la mayor dimensión esté en la pro-fundidad, aprovechando la excavación que inevitablemente se hará para laconstrucción del decantador.

Se puede admitir una desviación de caudales de 5% entre la primera y laúltima compuerta u orificio lateral de distribución, lo cual se compruebamediante la aplicación de los criterios de Hudson (5).


El coeficiente de pérdida de carga total en las compuertas () está dado porla siguiente expresión:

= 1 + + (Vc / VL )2. (1)

Donde:

1 = pérdida de carga debida a la disipación de energía en el lateral = coeficiente de pérdida de carga en la entrada. En canales cortos como

los que se diseñan en las plantas de tratamiento de agua, el valor deeste coeficiente es de = 0,7

= coeficiente de pérdida de carga en el cambio de dirección de la co-rriente, = 1,67

Vc = velocidad en el canal o tubo principal de distribución en m/sVL = velocidad en los laterales: compuertas o tuberías laterales que reciben

el caudal distribuido en m/s

La velocidad real en los laterales (VL1) se comprueba mediante la siguienteexpresión:

VL = Qt

(2)

Donde:

Qt = caudal total por distribuir (m3/s)AL = área de cada uno de los orificios de las compuertas o de los tubos

laterales de distribución (m2)

Para comprobar el gradiente de velocidad medio (G) en los orificios o sec-ciones de paso, se empleará la siguiente expresión (6):

G = (/2g)0,5 . (f /4 RH)0,5 . VL1,5 (3)

Donde:

= densidad del agua en kg/cm3

RH = radio hidráulico de la sección en m

n

1i i1

1 β/ β .AL


= viscosidad absoluta (kg/cm2

x seg)f = coeficiente de Darcy-

Weisbach: varía entre 0,015y 0,030

hf = VLn2 /2g (4)

hf = pérdida de carga en mVLn = velocidad real en el lateral

número n en m/s.

Aplicación 1. Canal de distribución uniforme del agua floculada a los decantadores.

Todos los decantadores que operan en paralelo deben tener un comporta-miento similar. Esto solo ocurrirá si todos reciben caudales iguales para quela tasa de operación sea uniforme.

El cuadro 4-1 muestra un ejemplo de aplicación al diseño de un canal quedistribuye 0,5 m3/s a cinco decantadores; se admite una desviación de has-ta 5% (figura 4-6). Este diseño se comprobó y la desviación de la velocidaden las compuertas de paso dio 4,2%, menor de 5% y, por lo tanto, aceptable(cuadro 4-2).

Figura 4-5. Canal de distribución avarios decantadores (4)

142 Diseño de plantas de tecnología apropiadaC

uadr

o 4-1

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,100

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Cuadro 4-2. Comprobación de la desviación del caudal en el canal de distribuciónde agua floculada a varios decantadores en paralelo (4)

Aplicación 2. Canal longitudinal de distribución uniforme al módulo de placas

Este canal se dimensiona conlos mismos criterios empleados enel cálculo anterior. La longitud totaldel canal es la del módulo de placascalculado en el cuadro 4-7. La altu-ra máxima de 2,09 metros se deter-mina en el esquema de la figura 4-7y la altura mínima de 0,60 metros,con criterios constructivos (figura4-8).

Adoptando un ancho de ca-nal de 0,65 metros, se consideraronlos orificios ubicados en el fondo y

Figura 4-7. Canal de distribuciónlongitudinal al módulo de placas (4)

Figura 4-6. Esquema del canal de distribución propuestoen el ejemplo del cuadro 4-2 (4)

N.oQ

(m3/s)X

(m)Hx(m)

Ax(m2)

Vc(m/s) Vc/VL ß VL

(m/s)

1 0,500 0 2,30 3,45 0,145 0,52 1,466 0,682 0,2762 0,400 6,05 1,88 2,81 0,142 0,51 1,460 0,685 0,2773 0,300 12,10 1,45 2,18 0,138 0,49 1,451 0,689 0,2784 0,200 18,15 1,03 1,54 0,130 0,46 1,435 0,697 0,2815 0,100 24,20 0,60 0,90 0,111 0,40 1,401 0,714 0,288

/1 ß

0,60

0,60

24,20

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0,60

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5,75

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0,25

1,00

0,60 6”

10”

28”

1,00

1,04

1,00

0,20

2,09


a ambos lados del canal, con unadistancia de centro a centro de 0,50metros. Podemos ver la forma deeste canal en la figura 4-8. Véaseel procedimiento de cálculo en elcuadro 4-3.

Aplicación 3. Distribución median-te tuberías

Cuando se proyectan decantadorespequeños, en lugar de canales, se emplean tuberías de PVC con perforaciones yse calcula la relación entre eldiámetro de la tubería y los ori-ficios con criterios de distribu-ción uniforme. Véanse las fi-guras 4-9 y 4-10. Considera-remos para el estudio de casoun decantador con capacidadpara producir 10 L/s. Véase elcuadro de cálculo 4-5.

En la figura 4-10 se pre-senta un corte longitudinal deldecantador pequeño. Las tube-

rías que se utilizan paradistr ibuir el aguafloculada son de PVC ylos decantadores debenproyectarse con la lon-gitud máxima que da eltubo.

Figura 4-8. Forma del canal central dedistribución de agua floculada a lo largo

del módulo de placas (4)

Figura 4-9. Solución para decantadoreslaminares de pequeña capacidad (4)

Figura 4-10. Decantador laminar con distribuciónde agua floculada mediante tuberías (4)

Losas removiblescon orificios

Orificios

Decantador laminar

Asbesto-cementoo vinilonas

Vertederosregulables

Vertederosregulables

Asbesto-cementoo vinilonas

OrificiosLosas removibles

con orificios

EXTRACCION DE LODOS ORIFICIOS PARA LA

LOSAS REMOVIBLES CON

TUBERIA DE DISTRIBUCION DE AGUA FLOCULADA

SISTEMA DE RECOLECCION DE AGUA DECANTADA

Agua

mariposaVálvula

mariposaVálvula

REPARTICION

FLOCULADADE AGUA

CANAL

Orificios

& " { 0 0

2 C E 0 2 - 0 0

Válvulamariposa

Sistema de recolección de agua decantada

Losas removibles conorificios para laextracción de lodos

Canal reparticiónde agua floculada

Agu

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Vá lvulamariposa

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Cuadro 4-5. Cálculo de 1 en el dimensionamiento del canal interior dedistribución de agua floculada al módulo de decantación

/

Q X BX Área VC Vc/VL VL(m3/s) (m) (m) (m2) (m/s) (m/s)

1 0,063 0.00 2,09 1,36 0,046 0,33 1,37 0,73 0,137

2 0,060 0,50 2,03 1,32 0,045 0,32 1,37 0,73 0,137

3 0,057 1,00 1,97 1,28 0,045 0,32 1,37 0,73 0,138

4 0,055 1,50 1,90 1,24 0,044 0,32 1,37 0,73 0,138

5 0,052 2,00 1,84 1,19 0,044 0,31 1,36 0,73 0,138

6 0,049 2,50 1,77 1,15 0,043 0,31 1,36 0,73 0,138

7 0,047 3,00 1,71 1,11 0,042 0,30 1,36 0,73 0,138

8 0,044 3,50 1,64 1,07 0,041 0,30 1,36 0,74 0,138

9 0,042 4,00 1,58 1,03 0,041 0,29 1,36 0,74 0,139

10 0,039 4,50 1,51 0,98 0,040 0,28 1,35 0,74 0,139

11 0,036 5,00 1,45 0,94 0,039 0,28 1,35 0,74 0,139

12 0,034 5,50 1,38 0,90 0,038 0,27 1,35 0,74 0,139

13 0,031 6,00 1,32 0,86 0,037 0,26 1,35 0,74 0,140

14 0,029 6,50 1,25 0,81 0,035 0,25 1,34 0,74 0,140

15 0,026 7,00 1,19 0,77 0,034 0,24 1,34 0,75 0,140

16 0,023 7,50 1,12 0,73 0,032 0,23 1,34 0,75 0,141

17 0,021 8,00 1,06 0,69 0,030 0,22 1,33 0,75 0,141

18 0,018 8,50 0,99 0,64 0,028 0,20 1,33 0,75 0,141

19 0,016 9,00 0,93 0,60 0,026 0,19 1,33 0,76 0,142

20 0,013 9,50 0,86 0,56 0,023 0,17 1,32 0,76 0,142

21 0,010 10.00 0,80 0,52 0,020 0,14 1,32 0,76 0,143

22 0,008 10.50 0,73 0,47 0,016 0,12 1,31 0,76 0,143

23 0,005 11.00 0,67 0,43 0,012 0,09 1,31 0,76 0,144

24 0,003 11.50 0,60 0,39 0,007 0.05 1,31 0,77 0,144

17,86

N.o deorific ios

ß /1 ß

/1 ß


5. ZONA DE SEDIMENTACIÓN

5.1 Criterios específicos

Esta zona se proyecta sobre labase de la tasa de decantaciónseleccionada durante el estu-dio de laboratorio efectuadocon el agua cruda. La muestradebe tomarse durante el perio-do lluvioso, para que los resul-tados de estas pruebas, queconstituyen los parámetros dediseño del proyecto, correspon-dan a las necesidades de laépoca más crítica.

Las lonas que se utilizan como placas son de vinilo y reforzadas con hilos depoliéster de alta tenacidad (KP 500 ó 1.000), recubiertas por ambos ladoscon PVC de formulación especial; con bastas en todo el contorno y caboso refuerzos metálicos internos, por lo menos en los laterales y en la parteinferior. Estarán provistas de ojalillos de aluminio en las cuatro esquinas, losque servirán para templarlas y fijarlas convenientemente, mediante pasadoresde plástico, a perfiles de aluminio, ubicados en las paredes de los canaleslaterales. Véase el detalle de la instalación en la figura 4-12.

Figura 4-11. Zona de decantación mediantemódulos de asbesto-cemento (4)

Figura 4-12. Instalación de las lonas de vinilo (4)

Perno de anclaje

Perfil de aluminio e = 1/4”

Lonas depoliéster

Ver Det. A-A

Pasador

Perno deanclaje

Perfil dealuminio e = 1/4”

Corte 1-1 Detalle A-A

1

Perfil de aluminio e = 1/4”

Lonas depoliéster

1

60º

con orificios de 1/2”


Los perfiles de aluminio que se empotran en las paredes laterales son de90°, 1/4" de espesor y 5 centímetros de ancho con orificios de un centíme-tro de diámetro, separados a partir del extremo de acuerdo con elespaciamiento calculado en el proyecto (10, 12 ó 14 centímetros). El perfilsuperior se ubicará a 1,30 metros del borde superior del decantador, de talmanera que el nivel máximo del módulo de decantación tenga un metro desumergencia. Las lonas se instalarán formando un ángulo de 60° con elplano horizontal, por lo que el perfil inferior se colocará paralelo al anterior,a una distancia de 1,04 metros ycon los orificios dispuestos en for-ma similar.

Las láminas de asbesto-cementode 6 milímetros de espesor y 2,40metros de largo se pandean y pro-ducen una flecha de hasta 5 cen-tímetros cuando están inclinadasa 60 y soportadas solo en sus ex-tremos.

Esto se resuelve colocando uno odos separadores al centro de las placas, de forma que se apoyen unas sobrelas otras, con lo que se evita una deflexión excesiva. Estos separadorespueden ser de madera o de asbesto-cemento (figura 4-13).

Los separadores de asbes-to-cemento constan de tirasde 5 a 6 centímetros de an-cho y 10 milímetros de es-pesor, adheridas con pega-mento a las láminas para sumayor estabilidad. Tambiénse usan perfiles en ‘‘U’’,asegurados con tornillos,aunque es suficiente la solapresión de una placa sobrela otra para conservar losseparadores en su posición(figura 4-14).

Figura 4-13. Separadores paraplacas de asbesto-cemento (7)

Figura 4-14. Otros tipos de separadoresde placas (7)

5 cm

8 cm

de

Lámina deasbesto-cemento

Perfil en ‘‘U’’de aluminio

Separadores deasbesto-cemento


Perfil de2’’x 2’’ x 1/4’’

Viga con bordedentado

Perfil visto en planta

Perfil con ranuras

Lámina deasbesto-cemento

El apoyo de las pla-cas en sus extremosse ha efectuado devarias formas. Unade las más difícilesde llevar a la prácti-ca, dependiendo de lacalidad de mano deobra disponible, con-siste en efectuar ra-nuras longitudinalesde 4 a 5 centímetrosde profundidad e in-clinadas en 60, enlos muros que limitanel ancho de la zonade decantación.

Otro sistema de colocación de placas consiste en empotrar un perfil de 2" x2" x 1/4", debidamente protegido contra la corrosión, con ranuras conve-nientemente dispuestas para sujetar las láminas en la parte superior. Sedejará una saliente de unos 10 centímetros en los muros para sujetar lasláminas en el extremo inferior (figura 4-15).

En algunos casos, solamente se colocarán apoyadas en la parte baja y conseparadores en el medio de las láminas.

En plástico se han adoptado las formas tubulares de sección cuadrada,hexagonal o circular, que constituyen los denominados módulos patentados(figuras 4-16).

Los módulos patentados se fabrican normalmente de plástico o de fibra devidrio. El plástico es el material ideal para este fin por su poco peso. Comosu costo es muy alto, los módulos de este material tienen de 0,50 a 0,60metros de altura y están hechos de láminas muy delgadas para disminuir supeso y, por consiguiente, también el costo de transporte.

Figura 4-15. Detalle de instalación de placasde asbesto-cemento con perfiles (4)


Los módulos dan mayor resistenciaestructural al conjunto, pero hidráuli-camente tienen desventajas con res-pecto a las placas. A igualdad de con-diciones (inclinación y longitud rela-tiva), las secciones tubulares cuadra-das o circulares producen cargas su-perficiales equivalentes más altas quelas de placas. Debido a la poca alturade los módulos, decrece el valor de laprofundidad relativa del decantador,que es de 10 a 12 en este caso, mien-tras que con las placas es de 20 a 24,lo cual incrementa la tasa superficial de la unidad en 50 a 60% por este soloconcepto.

5.2 Criterios para el dimensionamiento

El área total que debe cubrirse con placas espesor (e) y separación (e’), enel plano horizontal, se calcula mediante la siguiente expresión:

As = Q/ fVs (5)

f = sen sen + L Cos / s

Donde:

Q = caudal en m3/dsVs = velocidad de sedimentación de la partícula en m/sL = longitud relativaS = módulo de eficiencia de placas

La longitud relativa L se determina mediante la siguiente expresión:

L = lu / d (6)

Donde:

lu = longitud útil dentro de las placasd = espaciamiento entre las placas

Figura 4-16. Módulos de decantaciónde sección hexagonal (4)


El número total de placas por instalar (N) se calcula mediante la siguienteexpresión:

N = As sen / B d (7)

Donde:

B = Ancho total neto de la zona de decantación

El número de Reynolds se comprueba mediante la siguiente expresión:

Nr = 4 RH . Vo / v (8)

Donde:

v = viscosidad cinemática en m2/sVo = velocidad media del flujo en m/sRH = radio medio hidráulico en m

5.3 Aplicación

Siguiendo con el ejemploinicial, pasaremos a calcular unaunidad para 100 L/s de capaci-dad. Se efectuaron los estudiosde laboratorio con una muestrade 550 UNT, representativa delas condiciones más críticas, y seobtuvo la curva de decantaciónindicada en la figura 4-17.

A partir de la curva dedecantación, se desarrolló el cua-dro 4-6. Entrando en la curva conlos valores de velocidad de sedimentación correspondientes al rango de tasas dela primera columna del cuadro, se van obteniendo los valores de Co = Tf/To, conlos que se calculan las columnas siguientes (véase Tratamiento de agua paraconsumo humano. Planta de filtración rápida. Manual I: Teoría, tomo II,capítulo 11).

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12Vs (cm/s)

Co

Figura 4-17. Curva de decantación (4)

Curva de decantación


Cuadro 4-6. Selección de la velocidad óptima de decantación (4)

Q Vs Co Rt Tr Tfm3/m2/d cm/s % UNT UNT UNT

25 0,029 0,15 0,999 179,75 0,2528,5 0,033 0,16 0,996 179,35 0,6530 0,035 0,175 0,994 178,84 1,1635 0,040 0,18 0,991 178,31 1,6936 0,042 0,185 0,989 178,00 2,0037 0,043 0,19 0,987 177,74 2,2640 0,046 0,22 0,979 176,30 3,70

Del análisis del cuadro anterior se determinó que la tasa de decantacióncon la que se podía obtener un efluente con 2 UNT era de 36 m3/m2.d.

Dado que esta tasa se obtuvo en el laboratorio en condiciones ideales, seaplicó un coeficiente de seguridad de 1,3, con el que se obtuvo una tasa de 27,7m3/m2.d. Durante el cálculo, esta tasa se incrementó a 28,74 m3/m2.d para redon-dear la longitud del decantador a 12 metros. Véase un ejemplo de cálculo de launidad en el cuadro 4-7.


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D h

h/D < 0,75

6. ZONA DE SALIDA

6.1 Criterios generales

La uniformidad en la ascensión del flujo depende tanto de las característi-cas de la zona de entrada como de la de salida.

Figura 4-18. Canal central y tuberías laterales de recolección de agua decantada (6)

Para conseguiruna extracciónuniforme, se pue-de diseñar ya seaun canal centralrecolector y ca-nales laterales, uncanal central y tu-berías lateralesperforadas (figu-ra 4-18) o un ca-nal central yvertederos latera-les (figura 4-19).

No es recomendable diseñar vertederos fijos de bordes lisos, porque cual-quier desigualdad en los bordes produce apreciables desigualdades en lacantidad de agua extraída.

Figura 4-19. Vertederos de recolección regulables (6)

Vertedero metálico ajustable

ho ho

b

ho


En los bordes de los vertederos de concreto deben empernarse láminas deacero o PVC dentadas (con vertederos en ve) o de bordes lisos, que traba-jen con tirantes de agua de 5 a 10 centímetros. Esta solución permitiránivelarlos en obra (figura 4-19).

Tubos con perforaciones en la parte superior dan excelentes resultadoscuando todos los orificios son de igual diámetro, con una carga de aguasobre estos de 5 a 10 centímetros y descarga libre hacia un canal central ocanales laterales; el tubo no debe trabajar a sección llena. Esta última con-dición es básica para obtener una extracción equitativa del flujo.

6.2 Criterios para el dimensionamiento

La longitud de vertederos de recolección (lv) se calcula mediante la si-guiente expresión:

lv = Q/qr (9)

Donde:

Q = caudal de diseño del decantador en L/sqr = tasa de diseño de los vertederos, que varía entre 1,1 y 3,3 L/s x m de

longitud de vertedero.

Los valores de qrcercanos a 1,10 L/s x mse recomiendan paraflóculos débiles o paraplantas con operaciónpoco confiable, y valo-res cercanos a 3,30,para casos de flóculosgrandes, pesados y conbuen nivel de operación.

Figura 4-20. Sistema de recolección mediantetuberías perforadas (4)


La distancia máxima entre los vertederos de recolección (d) es una funciónde la profundidad (h) de instalación de los módulos o placas, y esinversamente proporcional a la tasa de escurrimiento superficial.

d/ h = 432/ Vs (10)

Donde:

Vs = velocidad ascensional del agua o tasa de escurrimiento superficial enm3/m2/d

En el gráfico de la figura 4-21 se encuentra representada la variación ded/h con Vs.

Cuando la recolección se efectúa mediante tuberías con perforaciones, serecomienda determinar la longitud de tubería mediante la ecuación 9, eldistanciamiento máximo centro a centro mediante el criterio de la ecuación10 y, para que la colección sea uniforme, el diámetro de los orificios y deltubo se determinarán a partir de la expresión 11.

Vc/Vo = nAo/Ac < 0,15 (11)

Donde:

n = número de orificios. Se calcula de acuerdo con la longitud del tubo,con un espaciamiento de 0,10 metros

Ao = área de los orificios, normalmente ½”Ac = área del tuboVo = velocidad en los orificios en m/sVc = velocidad en la tubería en m/s

Esta relación de velocidades o de secciones asegura una desviación < 5%(véase el ábaco de la figura 4-23). Se recomienda, además, una altura de agua de5 a 10 centímetros sobre los orificios.


Figura 4-21. Relación de la distancia máxima entre las canaletas de agua decantadaversus la profundidad de agua en función de la tasa de escurrimiento superficial (5)

d

h

4,0

3,0

2,0

1,0100 200 300

Velocidad ascensionalV m /m ds

3 2

dh


Aplicación 1. Recolección del agua decantada mediante tuberías perforadas

Veamos ahora el procedimiento de cálculo del sistema de recolección deagua decantada. Se ha elegido un sistema de tuberías de PVC perforadas por subajo costo y una tasa de 2 L/s x m debido a que en las pruebas de laboratorio sepudo ver que se forma un buen flóculo que precipita rápidamente. Véase el cua-dro 4-8.

Aplicación 2. Recolección mediante vertederos

Para el caso de decantadores pequeños, la solución mas económica es lade colocar vertederos perimetrales. En ese caso, el cálculo es más sencillo ytermina en el paso 2 del cuadro 4-8.

Después de calculada la longitud de los vertederos, debemos comprobarque el perímetro de la unidad sea igual o mayor que la longitud requerida. Si nocumple, colocaremos tres hileras de tuberías perforadas a lo largo de la unidad,que descarguen al canal de distribución a los filtros.

Tanto los vertederos como las tuberías se colocarán a una altura tal que lacapa de agua sobre el módulo de placas sea de un metro. En la medida en que sereduce esta altura, se debe disminuir la tasa de recolección, para evitar que laslíneas de flujo se arqueen y arrastren a los flóculos, para alcanzar el nivel desalida. La altura mínima entre el vertedero o tuberías y el módulo de placas es de0,65 m.

7. ZONA DE LODOS

Esta zona está compuesta por las tolvas de almacenamiento y el sistema deevacuación o de descarga hidráulica de los lodos. La alternativa más recomenda-ble, por su excelente funcionamiento, es la de tolvas separadas, con colector múl-tiple de extracción hidráulica y uniforme.

La otra solución que se desarrolla es la de tolvas continuas y extracciónhidráulica de los lodos mediante sifones.


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7.1 Tolvas separadas y colector múltiple

7.1.1 Criterios de diseño

En las tolvas separadas, la separación entre orificios está dada por la con-figuración de las tolvas y el número de estas (figura 4-22).

El volumen total de almacenamiento disponible en las tolvas está relaciona-do con la producción diaria de lodos. Normalmente se adopta un periodo dealmacenamiento de un día y la frecuencia máxima de descargas en épocade lluvia es de cuatro horas.

Las mejores condiciones hidráulicas se consiguen “atolvando” los fondos,de modo que se tenga una tolva por cada boca de salida, con lo cual seconsigue, además, tener orificios de descarga de mayor diámetro, lo quedisminuye el riesgo de atoros. Como el lodo presiona el punto de salida, latolva se vacía totalmente (figura 4-22). La viga ubicada debajo de las pla-cas y las columnas se debe a que el módulo era de placas de asbesto-cemento.

La pendiente de las tolvas debe estar entre 45° y 60° y la sección debe seraproximadamente cuadrada.

Figura 4-22. Tolvas separadas y colector múltiple (4)

Canal de inspección de loscolectores de lodos

Canal de distribución adecantadores

Tapón

Canal dedistribucióna filtros

Tubos de PVC conorificios

Colectorde lodos

Orificios

Válvulamariposa

Canal dedesagüe

Decantador laminar


El diámetro del colector múltiple se incrementa en función de su longitudtotal, y el diámetro es modificado por el número de orificios de extracción.

La extracción de lodos debe ser equitativa y se puede admitir una desvia-ción máxima de 10%.

La distribución del flujo entre los orificios depende de la relación entre lasuma de las secciones de todos los orificios de descarga (n Ao) y la seccióndel dren (A). Experimentalmente, se encontró que, para que la desviación(de flujo entre los orificios extremos no sea mayor de 10%, R debe variarentre 0,40 y 0,42. Véase el ábaco de la figura 4-23.

R < 0,42 (12)

De acuerdo al ábaco de la figura 4-23, para que la desviación () entre losorificios extremos del colector no sea mayor de 10%, se debe cumplir lasiguiente relación:

Figura 4-23. Canalizaciones con múltiples laterales (5)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.5 1.0 N AoA

1.5

Múltiple colector

Múlt

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El diámetro de los orificios sedetermina en función del diá-metro del dren (D), de la re-lación (R) y del número de ori-ficios (n).

7.1.2 Criterios dedimensionamiento

El diámetro de los orificios dedescarga (d) se calcula me-diante la siguiente expresión:

d = x / 1,162 ( H0,5 / Va )0,5 (13)

Donde:

x = separación entre orificios de salida en m. Depende del número detolvas y de sus dimensiones

H = carga hidráulica en mVa = velocidad de arrastre del lodo

Se recomienda establecer como velocidad mínima de arrastre en los puntosmás alejados de 1 a 3 cm/s

El diámetro del colector de lodos (D) se determina mediante la siguienteexpresión:

(14)

Figura 4-25. Colector múltiple con orificios y tolvas separadas (5)

Figura 4-24. Sistema de tolvasseparadas (8)

R/N / d =D


Donde:

R = relación de velocidades entre el colector y los orificios de descargaN = número de orificios o de tolvasD = diámetro de los orificios en m

El caudal de drenaje del colector (QL) se puede calcular mediante la si-guiente expresión:

QL = Cd . A . 2g H (15)

Donde:

Cd = coeficiente de descargaA = sección del colector en m2

g = aceleración de la gravedad en m/s2

H = carga hidráulica en m

7.1.3 Aplicación

Consideramos el diseño de un decantador de 100 L/s de capacidad delejemplo anterior. El ancho total de estas unidades, teniendo en cuenta el anchototal del módulo de placas de 4,80 metros, el ancho del canal central de distribu-ción de agua floculada de 0,65 metros (calculado en el cuadro 4-7), más los muroslaterales de 0,15 metros, es de 5,75 metros. La unidad tiene 12 metros de largo,por lo que estamos considerando 3 tolvas de 1,50 metros de profundidad total.

En estas condiciones, los resultados del cálculo del cuadro 4-9 indican quela capacidad máxima de almacenamiento de las tolvas es de un día, el diámetrodel colector y de la válvula mariposa de descarga de lodos es de 28” y los orificiosde paso de las tolvas al colector, de 10”. Las instrucciones de operación queacompañen al proyecto deben indicar claramente que en la época de lluvias lafrecuencia máxima de descarga debe ser de 4 horas.

El esquema del decantador proyectado es similar al de la figura 4-22, soloque con tres tolvas y un solo colector para los dos módulos.


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4)


7.2 Canal central con sifones y tolvas continuas

7.2.1 Criterios de diseño

En las tolvas continuas el cálculo del espaciamiento es un poco más sofisti-cado, pues se debe tener en cuenta la esfera de influencia alrededor delorificio, dentro del cual la velocidad del flujo que confluye al punto de salidaes capaz de producir arrastre de partículas sedimentadas.

El canal de descarga de lodos de la figura 4-26 debe dimensionarse demodo que el escurrimiento en su interior sea libre. En general, se requiereentrada y salida de aire, lo cual se consigue colocando una tubería de ven-tilación en los extremos. En estas condiciones, los colectores individualesdispuestos a lo largo del canal, descargarán libremente el lodo en el interiorde este, pues todos estarán sometidos a la misma carga hidráulica (h).

7.2.2 Criterios de dimensionamiento

El caudal en un tubo corto está dado por la siguiente expresión:

q = Cd . A 2g h (16)

Figura 4-26. Canal de extracción de lodosmediante sifones (5)

Canal de descarga de lodos Canal de distribución de

agua floculada Canal de colecta de agua

decantada

Agua decantada

Agua floculada

Tubos de descarga de lodos


El coeficiente de descarga (Cd) se selecciona del cuadro 4-10, en funciónde la relación L/D, donde L es la longitud del sifón y D su diámetro.

Cuadro 4-10. Valores de Cd en función de L/D

L/D Cd

300 0,33200 0,39100 0,47 90 0,49 80 0,52 70 0,54 60 0,56 50 0,58 40 0,64 30 0,70 20 0,73

En el caso de la figura 4-26, se tiene una sola tolva continua en el sentidolongitudinal de la unidad, pero, como se puede apreciar en la figura 4-27,dependiendo del área de la unidad, se pueden tener varias tolvas continuas.La extracción de los lodos se puede hacer mediante sifones o por medio deorificios en el fondo.

Es necesario considerar elnúmero, diámetro y espa-ciamiento de los orificios dedrenaje.

La distancia (x) entre los ori-ficios de descarga debe sertal que la velocidad mínimade arrastre de los lodos (Va)no sea menor de un cm/s.

El canal debe funcionar conla superficie expuesta a la

Figura 4-27. Sistema de tolvascontinuas (8)

Orificios paraaspiración de

lodos


presión atmosférica, para que los sifones trabajen con descarga libre alcanal y la recolección se realice equitativamente, al estar todos los peque-ños sifones sometidos a la misma carga hidráulica (h) (figura 4-26).

Distancia máxima entre tubos laterales de 0,90 m.

Diámetro mínimo de los sifones laterales de 1 ½’’.

Caudal mínimo por lateral de 3 L/s.

Velocidad mínima en el lateral de 3 m/s.

Para mantener el régimen de descarga libre en el canal, se debe diseñar unducto de entrada de aire con la sección adecuada, para que compense elvolumen de aire arrastrado por el agua.

7.2.3 Aplicación

El cuadro 4-11 presenta un ejemplo de aplicación de estos criterios aldimensionamiento de este sistema de recolección de lodos mediante sifones cor-tos y tolva continua (figura 4-26).

De acuerdo con los cálculos del cuadro 4-11, será necesario instalar 22sifones para tener una buena recolección de lodos. Las tolvas se llenarán en undía y medio en la época de lluvias y la válvula de descarga se abrirá durante 1,2minutos para que las tolvas se vacíen; durante este lapso se deberá cerrar elingreso de agua floculada para evitar cortocircuitos.

Debe instalarse, además, un tubo de ventilación a cada extremo del canal,para que haya circulación de aire en su interior.

7.3 Otros sistemas de descarga de lodos

7.3.1 Descarga mecánica automática

Se trata de válvulas automáticas que pueden ser accionadas mediante airecomprimido o agua, o bien por medio de un programador electrónico o electroválvulaque abre y cierra el circuito para descargar según intervalos programados o me-diante sifones de accionamiento mecánico y de carga automática (CLARIVAC). Lafigura 4-28 muestra un decantador laminar de un m3/s de capacidad operando conun sistema de extracción de lodos continuo de patente CLARIVAC.


Este sistema solo se recomienda para decantadores muy grandes y requie-re buenos recursos de operación y mantenimiento.

La figura 4-30 muestra el sifón fluctuante de diseño artesanal, y la figura4-31, el sistema patentado CLARIVAC.

Figura 4-30. Sifón fluctuante

Figura 4-29. Canal de descargadel sistema CLARIVAC

Figura 4-28. Sistema CLARIVAC deextracción de lodos

Canaleta delodos

Fondo deldecantador

Otro sifón

Orificios parasucción delodos

0,30

0,20

0,10

3,25

Nivel del agua


Colector

Protector

Tubo de sifón

Guía

Guía

Canal derecolección

FlotadorVálvulas de controlde descarga

Flotador

Cable paradesplazamiento 1/8’’

Tirante

Figura 4-31. Sistema CLARIVAC

8. DEFECTOS DE DISEÑO MÁS COMUNES

Es todavía frecuente encontrar unidades nuevas diseñadas como las de laprimera generación, sin una estructura de entrada apropiada y sin un sistema deextracción de lodos hidráulico (figura 4-32).

En estas unidades todo el flujo ingresa por el inicio de la unidad y se distri-buye de acuerdo con la longitud de esta y la velocidad de paso por debajo de lasplacas. En las unidades largas normal-mente la mayor parte del caudal llegaal final y asciende levantando losflóculos.

También es frecuente encontrarque la longitud de recolección es muycorta y las pocas canaletas de reco-lección consideradas se encuentran to-talmente ahogadas.

Cuando la longitud de recolec-ción es muy corta, la velocidad de as-

Figura 4-32. Decantador de placasde la primera generación (4)


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censión del agua es muy alta y arras-tra a los flóculos que tratan de depo-sitarse sobre las placas.

También son comunes los ca-sos en que un decantador conven-cional se convierte en decantador deplacas y el sistema de recolecciónpermanece igual, sin incrementarsede acuerdo con el mayor caudal quela unidad va a producir en adelante.

El decantador de placas de lafigura 4-34 no tiene un sistema de

recolección adecuado. Únicamente se colocó un vertedero al final de la unidad,como si se tratara de un decantador convencional de flujo horizontal.

En el caso del decantador de la figura 4-35, las tuberías de recolecciónestán mal colocadas y fuera del agua, con lo que se desperdicia gran parte de sucapacidad.

Otro defecto muy frecuente en este tipo de decantadores consiste en colo-car el sistema de recolección muy próximo al módulo de placas, sin respetar ladistancia recomendada de un metro ni la altura de agua mínima estipulada de 0,65metros (figura 4-36). Al colocar la salida tan próxima al módulo de placas, las

Figura 4-33. Decantador de placascon problemas de recolección (4)

Figura 4-34. Decantador de placas sinsistema de recolección apropiado (4)

Figura 4-35. Sistema de recolecciónmal instalado (4)


líneas de flujo se arquean mu-cho para alcanzar la salida yarrastran a los flóculos, lo queempobrece la calidad delefluente del decantador.

En la figura 4-37 se pue-de apreciar el arrastre deflóculos a la superficie deldecantador. En este caso, se su-maba el problema de que losdecantadores habían sido pro-yectados con una tasa demasia-do alta, consecuencia de no ha-

ber realizado un buen estudio detratabilidad del agua antes de ejecutarel proyecto. Si estamos adivinandocuál es la tasa ideal para tratar unadeterminada agua, será difícil que de-mos en el clavo.

Otro defecto muy común es con-siderar un decantador convencionalseguido de uno laminar sin estructu-ras de entrada y salida adecuadas. Enla figura 4-38 se puede apreciar un

proyecto de este tipo; se observa queno hay una estructura de salida deldecantador convencional y que el aguaingresa directamente por debajo delmódulo de decantación sin una estruc-tura de distribución uniforme. En estoscasos, el decantador convencional esapenas un tanque de paso y la eficien-cia es prácticamente nula. Figura 4-38. Decantadores

convencional y laminar en serie (4)

Figura 4-36. Sistema de recolecciónsobre los módulos de decantación (4)

Figura 4-37. Arrastre de flóculos enla superficie de los módulos (4)


En la figura 4-39 se puedeobservar otro caso similar: undecantador convencional sin es-tructuras de entrada y salida ade-cuadas, seguido de un decantadorlaminar sin estructura de entrada.Nuevamente, el agua pasa deldecantador convencional directa-mente por debajo del módulo deplacas.

Figura 4-39. Decantadores convencionaly laminar en serie (4)


REFERENCIAS

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capÍtulo 4 decantadores laminares - … · el coeficiente de pérdida de carga total en las...

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