para explicar clarificador

5/25/2018 Para Explicar Clarificador

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Universidad del ValleFacultad de Ingenierarea de Ingeniera Sanitaria y AmbientalCurso de Sistemas de Potabilizacin con Clarificadores de ContactoDocente: Camilo Hernn Cruz Vlez

Octubre de 2004

Clarificadores de Contacto I

Introduccin

En muchas aguas superficiales la turbiedad del agua esta asociada a la presencia de coloides o departculas de unas pocas micras de tamao. Aun desestabilizando qumicamente con coagulantes

dichas partculas se presentan una gran dificultad para removerlas del agua por la combinacin

tradicional de los procesos de floculacin-sedimentacin empleados en las plantas de ciclocompleto tradicionales.

Se considera un clarificador de contacto una unidad de tratamiento generalmente de flujo vertical en

la cual se combinan los procesos de coagulacin (en algunas ocasiones), pero mas generalmente los

de floculacin y sedimentacin. Se han aplicado estas unidades al tratamiento de aguas con grandescantidades de material coloidal, cuando la calidad del agua y las condiciones de carga (caudal) varan

en gran extensin y en tiempos reducidos.

En los clarificadores de contacto el contenido de slidos en el agua es filtrado por una malla o redde floculos. Que presenta una combinacin de espacios de diferentes tamao y forma, ademspor el sentido del flujo en ellos se facilita el arrastre de floculos hacia el fondo donde se pueden

continua y dinmicamente retirar. La malla puede capturar floculos de tamao coloidal porabsorcin y adherencia, etc. Tradicionalmente se denomino Clarificadores de Filtrado. Sinembargo se anota que la falta de homogeneidad en el manto puede formar canales, incrementandoel contenido de slidos en el efluente y decreciendo la eficiencia de filtracin.

Desarrollo Histrico de los Clarificadores de Contacto.

El concepto de clarificadores de manto de lodos, tiene ms de un siglo de uso, pero solo hasta 1950se concedi una fuerte importancia al proceso, sin embargo numerosos intentos de tecnologasrelacionadas se han propuesto en el tiempo. En 1869 SILLAR & WIGNER, reconocen que el lodoprecipitado qumicamente es capaz de hacer precipitar partculas en el agua al re-circularlo yponerlo en contacto con agua cruda. Desde entonces se reconoce que un contacto intermitente del

lodo, con el agua afluente tiene un efecto favorable en la precipitacin.

El primer y significativo desarrollo industrial fue el desarrollo del tanque Dortmund en 1880, que anhoy se emplean en algunas planteas de aguas residuales y en la industrias del papel. En 1892,

ARCHBUTT & DEELEY usan patentan un sistema combinado de dos compartimentosintercomunicados, uno para mezcla y otro para clarificacin. Diferentes ideas combinando las zonasde reaccin floculacin y clarificacin se desarrollaron progresivamente. (ver Figuras 1 y 2)


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[FLOCULACION Y SEDIMENTACIN EN UNA ESTRUCTURA] clarificadoresUNIDADES INTEGRADAS

Figura 1. Clarificador mecnico de manto de Lodos.

Figura 2. Clarificador hidrulico.


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El esquema a continuacin en la Figura 3 ilustra el ejemplo de la planta de potabilizacin deYumbo, que opera con un clarificador de contacto y filtracin rpida a presin.

Figura 3. Municipio de Yumbo, Valle del CaucaPlanta de Tratamiento de Agua Potable con clarificadores de Contacto

Sistema de Bombeo

Tanque de

Filtro

Filtro

Filtro

Tanque

Pulmn

ConoDecantador

Ro Yumbo

Lnea 8

Lnea 12

Bomba

Bomba


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Teora de Sedimentacin y Clarificadores de Conctacto

La sedimentacin puede ser de 4 tipos. En los clarificadores de contacto el tipo de sedimentacines de los tipos 2 y 3, las cuales permiten que en el mismo tanque se realicen los procesos de

floculacin y sedimentacin. Tabla 1 y Figura 4.

Tabla 1 .Tipos De Sedimentacin Segn El Sentido Del Flujo En Unidades De Decantacin DePlantas De Purificacin De Agua

Sentido del FlujoTipo de

SedimentacinEjemplo

Rata de flujoM/m/d

Horizontal 1 y 2 Desarenadores 200 420

15 - 30

Vertical 2 y 3 Clarificadoreshidrulicos,mecnicos y deManto de lodos

35 60

Inclinado (ascendenteo descendente)

1 y 2 Decantadorescon mdulos oplacas

120- 180

Figura 4. Modelo De Decantador De Floc Para Flujo Vertical (Arboleda, 2000)

En la sedimentacin tipo 2, los slidos o partculas se comportan como slidos aglomerables y aldescender se adhieren o aglutinan entre s cambiando de tamao, forma y peso especfico durantela cada.


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En la sedimentacin tipo 3 se debe analizar el conjunto de los slidos, debido a las mutuasinterferencias entre partculas que hace que estas formen un manto de lodos que flota en el lquidoy dependiendo de las caractersticas de la suspensin se puede dar una sedimentacindenominada autointerferida.

El clarificador de manto de lodos opera con flujo vertical generando 3 zonas, (desde abajo hacia lasuperficie del tanque), de las cuales depende la calidad del agua tratada: la capa del manto delodos donde las partculas se reacomodan y compactan; la capa de interfase, en la que el floc estaen constante choque por la velocidad de cada de algunas partculas y la velocidad de ascenso delflujo; por ltimo esta la capa de agua clarificada que es recogida por canales superficiales.

Se han realizado ensayos para clarificadores de flujo vertical, encontrando que a mayorconcentracin de partculas menor velocidad de cada de la interfase, menor velocidad de ascensode las partculas, lo que lleva al equilibrio de la interfase y mantiene el flujo en suspensin(funcionando como floculador). La calidad del agua del efluente mejora (disminuyendo la turbiedad)y baja la turbiedad a mayor porosidad del manto de lodos.

Bond (1965) demostr que la velocidad de asentamiento es proporcional a la velocidad de cada ydensidad de las partculas, (a mayor densidad mayor velocidad de cada); el floculo viejo tienevelocidades de asentamiento mayores que el floculo recin formado. (Figura 5).

Figura 5 Velocidad De Asentamiento De La Interfase Para Mantos De Lodos De DiferenteDensidad

La velocidad de ascenso del flujo encuentra resistencia en el manto de lodo, si esta es mayor que lavelocidad de cada de las partculas se puede romper el manto y fluidificar los lodosascendentemente hacia las canaletas.


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En muchas plantas de clarificadores no hay un sistema que permita controlar el nivel del manto o lanube de lodos en la purga, considerando la anterior exposicin este punto es un riesgo en laoperacin de una planta. Adems se puede afectar la eficiencia del sistema pues a mayorprofundidad de la capa de lodo y conservacin del lodo viejo, mayor remocin de la turbiedad.Segn la bibliografa el espesor de esta capa en clarificadores hidrulicos vara entre 1 y 3 metrosde espesor.

Conceptos Aceptados sobre su operacin

1. Los principios de floculacin ortocintica y gradiente de velocidad rigen los diseos.2. Los mecanismos simultneos de agregacin y quiebre intervienen en la floculacin a travs

de la mezcla (Gradientes de velocidad).3. Es necesario un tiempo mnimo para iniciacin de formacin del floculo.4. Reactores subsecuentes, especialmente cmaras de mezclado escalonadas mejoran la

floculacin.5. Reacciones fisicoqumicas a travs del contacto hacen posible reducir la dosis de

coagulante, inclusive permitiendo intermitentes cortes de la dosis (Ej. Por 10 o 15 minutos),sin alterar los resultados de la operacin.

6. Una suave sobredosis puede cubrir accidentales interrupciones de la dosificacin qumica,por un perodo suficiente para reparar el equipo dosificador.

7. El nmero de partculas retenidas es inversamente proporcional a la velocidad ascensional,al producirse arrastre de una mayor cantidad de partculas por el flujo y se suele producirmayor ruptura del floculo por esfuerzos cortantes.

8. A igualdad de otras condiciones, la eficiencia en remocin de turbiedad de un clarificador esdirectamente proporcional a la profundidad del manto de lodos.

9. La remocin de color no depende de las caractersticas fsicas del manto, sino de laeficiencia del proceso qumico de desestabilizacin y por lo tanto la reduccin de color esindependiente de la concentracin del manto y de la velocidad ascensional de la unidad.

Para iniciar el proceso es necesario constituir una camada de lodo, lo cual puede requerir varios

das de operacin, ste perodo puede ser acortado reciclando lodo en el agua a ser tratada.

Se hace necesario aplicar desinfectante previo a la entrada de agua a la unidad cuando se combinalodo de contacto de lodo o s recircula lodo, esto evita olores o sabores indeseables comoconsecuencia del lodo re-inoculado en el clarificador.

Ventajas de los Clarificadores

Diseo econmico y compacto. Remocin de lodos ms fcil que en tanques horizontales. Altas eficiencias de clarificacin debidas a:

1. Baja velocidad de entrada

2. Efecto precipitante de lodo preformado3. Filtracin a travs de la capa de lodo

Desventajas

Mayor necesidad de control que en unidades horizontales convencionales. Rpida prdida de eficiencia durante sobrecargas hidrulicas y de perodos de sobrecarga de

lodos.


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Tendencia a problemas operacionales cuando el agua exhibe continuas fluctuaciones detemperatura o turbiedad en un amplio rango.

Tabla 2. Tipos de Clarificadores Ascendentes con y sin manto de lodos(Montgomery, 1985)

TIPO DECLARIFICADORES

CARACTERISTICAS

1. Ascendentes Simples (Radiales) Floculacin hidrulica: no requiere energa

No patentadas2. Reactor Clarificador Mezclador Mecnico

Floculacin mecnica: requiere energa

Patentados3. Reactor de Manto de Lodos:

Pulsante o de vaco.

De separacin qumica (coagulacin,floculacin, sedimentacin)

De agitacin simple

Mezclador mecnico + manto de lodos:requiere energa

Patentados

Componentes de un clarificador

Entrada de agua cruda. Zona de mezcla secundaria y gradiente de reaccin. Zona de concentracin de lodo. Zona de decantacin con sistema para recoger agua. Construccin circular o al menos lo ms simtrica posible (Ej. Cuadrada) Recirculacin de lodo, con el fin de favorecer la floculacin y la coagulacin de barrido

Clasificacin de Clarificadores de Manto de Lodos

Constante o pulsante. Hidrulicos o mecnicos. Con o sin re circulacin de lodos.Con o sin control de alturas del manto de lodos

Aspectos Qumicos

1. Cambios en el pH o en la dosificacin, pueden producir deterioro de las caractersticas del lodo,

prdida de la interfase y an fluidificacin total del manto.2. Prueba de jarras no simula dosis ptima ().


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Tabla 3. Criterios de Diseo ((Montgomery, 1985)

CARACTERISTICAS AscendentesSimples

(hidrulico)

Mecnicos Mecnico deManto Con

recirculacinCarga Superficial [m/h] 1.5 - 1.9

Hasta 2.0

2.1 - 3.1

2.1 - 4.2

2.1 3.1

5.4 7.2(Aadiendo

polvillo 2 5 kg/m3

)

Profundidad de agua [m] 3.0 5.0

Tiempo de Sedimentacin [min] 60.0 80.0 60.0 120.0 60.0 120.0

Carga sobre Vertederos [m3/m/h] 7.1 7.3 14.6 7.3 14.6

Velocidad Ascendente [m/h] >3 >3

Tasa deRecirculacin [m/h] (3.0 5.0) Q

Tiempo de Floculacin [min] 20.0 30.0 20.0 30.0

Concentracin en zona deFloculacin [%] (Despus de 15min de sedimentacin)

5.0 20.0

Nivel de Lodos [m] (Capa) 2.0 3.01.0 3.0

Tipo de Agua Blanda, bajaturbiedad, alta

turbiedad.Velocidad de Rotacin de BarreLodos [rpm]

1.0 2.0

Concentracin de slidos en el

Manto [%]

2.0 10.0

Velocidad de Rotacin deEquipos de Floculacin [rpm]

6.0 20.0

Aspectos Hidrulicos Forma de la unidad: tronco piramidal o tronco cnica (paredes con = 600), permiten disminuir

la velocidad ascensional con la altura, y los lodos pueden resbalar por las paredes. Concentracin junto a las paredes mayor de (3.0 4.0) % que en el centro. Se debe controlar la velocidad de entrada evitar chorros. Zona de sedimentacin: tratar de obtener flujo estable para controlar problemas de ebullicin en

el manto La altura entre el manto y las canaletas no debe ser menor a la mitad de la distancia entre

canaletas

Aspectos en las Eficiencia de los Clarificadores

Factores que Influyen en los Clarificadores de Flujo Vertical

Fuerza actuante descendente (Fuerza de gravedad). Fuerzas de empuje y friccin actuando ascendentemente. Fuerzas dinmicas en el agua.


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Posibles Situaciones

Fdg = G > Fuerzas descendentes (las partculas son sedimentables) Fd < FAsc Las partculas salen en el agua sobrenadante

Fd = FAsc Caso equilibrio dinmico. Las partculas permanecen suspendidas (estado fluidizado).

La velocidad del flujo en cualquier clarificador decrece luego de la interfase entre manto y aguasuperior de estabilidad al manto.

Floculacin ortocintica es proporcional al gradiente de velocidad.

dn = G n1n2 (d1+ d2)3

dt 6

Considerando que d2es mucho mayor que d1.

dn = G n1n2 d23

dt 6

Ives (1968) desarrollo uno de los primeros estudios tericos de clarificacin de mantos de lodosbasado sobre los principios de la floculacin ortocintica con el manto, el propuso que la remocinde partculas esta basada en la ecuacin

nt = exp ( GC )

no

donde nt y no son el nmero de partculas que han entrado al tanque y despus de un tiempo trespectivamenteG es el gradiente de velocidadC es la concentracin de la suspensin

Tambin propuso Ives (1968)

Volumen de partculas de floculo = r * n2* d23/6

Unidad de volumen unitario

* n2* d23 = C

6

dn1 = G n1 C

dt R


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Integrando entre n0y tn

dn1 = C dt

n n

nt = e6Ct/R

n0

nt = n0 e6Ct/R

por otra parte el tiempo de detencin promedio en un manto fue definido (LEVENSPIEL 1962) :

td = masa de slidos en el tanquemasa afluente de slidos por unidad de tiempo

se puede decir que G * T*Cclarificadores > G * T * C floculadores y sedimentadoresconvencionales

Ecuacin de eficiencia

Ntm

= Nom

e(nm* G

mm** T

d/R)

Donde :

Ntm= Nmero de partculas efluentes por unidad de volumen (m-3)

N0m= Nmero de partculas en el manto en el inicio por unidad de volumen (m-3)

nm = Eficiencia de encuentros en el manto.

= Fraccin de volumen de los floculosGmm= Gradiente de velocidad en el manto.Td = Tiempo de detencin en el manto.

Relacin entre velocidad de sedimentacin de partculas individuales y la del manto

despus de la coagulacin en mecanismo de barrido con sales de hierro o aluminio).

Vsm = (1 f *2/3)

Vsp


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Considerando el manto de lodos como un lecho fluidizado

Se puede calcular la Velocidad ascensional en el plano de separacin como:

Vsm= 0.5Vsp

f = 2.78

= 0.076 (generalmente 0.06 0.10)

Ecuacin para el clculo de las reas de fondo y superior del manto. (IVES 1968)

1/2

Gmm * f * Td = (s- a) * R Dmi* F Dms

4 * Q ** f9/2

2 Dmi

Dmi, Dms = Dimetro de base superior e inferior del tronco del cono respectivamente (m)

s, a= Peso especfico de los floculos y del agua respectivamente (N/m3)

= Viscosidad absoluta del agua (N*m/s2)

El parmetro F (Dms/Dmi) se obtiene de la una figura en la literatura.

Para aguas con turbiedad superior a 150 UNT y color verdadero bajo, coagulada consulfato de aluminio en el mecanismo de barrido el parmetro

= Gmm* * Td = (60.0 120.0)

Dmsse obtiene con velocidad Vsmy Dmicon la velocidad Vsp

Modelacin de la Eficiencia en Clarificadores de Manto

Gould (1974) Revis varias teoras de sedimentacin obstaculizada y encontr que sus datos eajustaban mejor adaptando la relacin de Barnea y Mizrahi (1973)

V = Vo ( 1- qC*)nDonde:

V es la velocidad de sedimentacin de la suspensin


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Vo es la velocidad de sedimentacin finalq es un factor que relaciona la forma y la concentracin medidaC* es la concentracin del manto medida despus de ajustar un tiempo de 30 minutos desedimentacinn es una constante exponencial

Desarrollo y aplicaciones de un Modelo para simular el efecto de las caractersticas delmanto de lodos sobre el proceso de clarificacin

Este modelo se basa en la teora de Gould sobre la operacin de clarificadores de manto de lodos.Despus de un cambio en el cadual tratado, o en la velocidad de sedimentacin del manto, lasuperficie del manto crecera o caera a una tasa igual a la diferencia en velocidades entre el caudaly la velocidad de sedimentacin obstaculizada. Este cambio en posicin de la superficie del mantopuede ser expresada como:

dH = U-Vsdt

Donde:

H es la altura del manto encima de fondo del tanqueU es la velocidad instantnea de sobreflujo en el tanqueVs es la velocidad de sedimentacin obstaculizada instantnea del manto

Para simular la sedimentacin obstaculizada se ha usado en este estudio una versin modificadade la ecuacin de Barnea Mizrahi

Vt = Vmax [1-s ( C Cmin)]n

Donde

Cmin define el punto de corte sobre la curva de sedimentacin obstaculizada, debajo del cual lavelocidad de sedimentacin de la suspensin permanece constanteV max es la velocidad de sedimentacin y debajo C minC es la concentracin de la suspensin, definida como el volumen de sedimentacin a los 30minutos (Gregory, 1979).s es un factor de forman es un factor exponente

Esta establecido (Gregory, 1979) que la rata de remocin de partculas primarias que entran al

clarificador dependen sobre la concentracin del manto. Para la Simulacin de la remocin fue seconsdidera como el reactor como un tanque de agitacin continua (CSTR). El balance de masapara un solo tanque CSTR es dado por:

dX = Q ( Xi-X) - [kft CII + vsA ]Xdt V L V

Donde:X es la concentracin de slidos sedimentables saliendo del clarificador


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Xi es la concentracin slidos sedimentables entrando al clarificadorQ es la rata e flujo de entradaV es el volumen del tanque

A es el rea superficial del tanqueL es la altura del tanquevs es la velocidad de sedimentacin de las partculas primarias entrando al tanque

Kfl es el factor de flotacin, refleja la eficiencia de colisin de los flocs

La carga de slidos en el clarificador se calcula de la concentracin de slidos suspendidos en elagua cruda y la dosis de coagulante (Warden y Craft, 1980)

Xi = X cruda + 2.9 DAl + 1.9 DFe + 0.2 Crem + Dpoly + DPAC

Donde:X cruda es la concentracin de slidos suspendidos del agua cruda (mg/l)Que es aproximadamente 2*turbiedad del agua cruda (NTU)

DAl es la dosis de un coagulante basado en Aluminio ( mg/l Al+3)DFe es la dosis de un coagulante ferrico (mg/l Fe+3)Crem es el color removido debido a la adicin de coagulante (oHazen)DPoly es la dosis de polielectrolito (mg/l), si se usaD PAC es la dosis de carbn activado en polvo (mg/l), si se usa

Calibracin y Prueba del modelo

Para estudiar el modelo, los datos fueron obtenidos de una planta de tratamiento de agua tratandoun agua superficial extrada directamente de un ro del sur de Inglaterra. Las caractersticas delagua cruda sobre un periodo de un ao se muestran en la tabla No. 4

Tabla 4 Datos de Calidad de agua cruda en un planta con clarificadores de contacto

Mximo Mnimo Promedio

Temperatura

(oC)

21 3.5 11.7

p H 8.4 7.7 8.1

Turbiedad (FTU) 35 0.41 3.0

Color (oHazen) 27.8 3 6.4

Hierro total

(mg Fe +3/ l)

0.82 0.01 0.09


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El clarificador tiene un rea superficial de 216 m2 y 6 m de profundidad. El exceso de floces removido a travs de un cono a una altura de 4.3 m del piso del tanque. La planta usasulfato frrico como coagulante, sin ningn polielectrolito y debido al bajo color en el aguacruda, los trminos de remocin de color tienen un pequeo efecto, por tanto la carga deslidos de la ecuacin (6) serian:

Xi = Xcruda + 1.9 DFe + DPAC

Datos de la primera mitad del mes se seleccionaron para el propsito de la calibracin delmodelo, durante este tiempo la temperatura del agua cruda fue constante cuando se midoal mismo tiempo cada da. La dosis de coagulante y turbiedad del agua cruda fue tambinregularmente estable durante este periodo. Para calibrar el modelo, la constante en lasedimentacin obstaculizada ecuacin (4) puede ser estimada. Esta ecuacin se puedelinealizar

ln (V) = ln (Vmax) + H ln [1-s (C Cmin)]

Ploteando ln (V) vs ln [1-s (C Cmin]para los datos de la planta y optimizando Cmin y spara dar la mejor lnea recta a travs de los valores de los puntos dados para lasconstantes de calibracin.Para el sitio estudiado, los valores encontradosfueron:S = 1, n= 2.425, V max = 5.65 mh-1y C min = 10%.El factor de floculacin, kflen laecuacin (5) puede ser estimado escogiendo un tiempo en donde la concentracin afluentey la concentracin efluente son estables y conocidas. Reorganizando la ecuacin da unvalor de kfl =12.5 h-1. se uso una fraccin del 5%de slidos no sedimentables basado enresultados tpicos de Pruebas de Jarras

Figura 6 Comparacin de la Prediccin del Modelo de la Concentracin del Manto con losDatos de la Planta


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Figura 7 Comparaciones de las Predicciones del Modelo de Turbiedad de Agua Clarificada

con los Datos de la Planta

Usos del Modelo

El modelo puede ser usado en un amplio rango de posibles aplicaciones, tanto en larepresentacin operacional como de diseo de escenarios. Ejemplos de uso el modelocomo herramienta operacional incluye:

Determinacin del efecto de cambios sbitos en la calidad del agua cruda.

Estudio del efecto de cambios en el caudal (tasa de operacin).

Estimacin del caudal mximo posible a tratar mientras se mantiene una buena

calidad del agua tratada, . Determinar los efectos de temperatura sobre las eficiencia.

Estimar la tasa optima al cual se deben realizar las purgas de lodo para obtenerbuen control del manto

Cuando hay una batera de clarificadores en una planta, para estudiar el efecto desacar un clarificador fuera de servicio para limpieza en la eficiencia de calidad delefluente de los otros clarificadores

En una situacin de diseo, el modelo puede ser usado para estudiar el comportamientode una nueva planta en la anterior a la instalacin o a estimar el incremento en el tamaodel clarificador requerido para tratar un incremento de caudal en las mismas unidades.

BIBLIOGRAFA

ARBOLEDA, Jorge. (2000) Teora y prctica de la purificacin del agua. 3 Edicin. MacGraw Hill ACODAL.

DI BERNARDO, Luis. (1993). Mtodos e tcnicas de tratamento de agua. Volumen I.Ro de Janeiro, Brasil.


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DI BERNARDO, Luis. (1993). Mtodos e tcnicas de tratamento de agua. Volumen II.Ro de Janeiro, Brasil.

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