Sedimentación (tratamiento de agua)

El proceso físico de sedimentación (el acto de depositar sedimentos ) tiene aplicaciones en el tratamiento del agua , donde la gravedad actúa para eliminar los sólidos suspendidos del agua. ^[1] Las partículas sólidas arrastradas por la turbulencia del agua en movimiento pueden eliminarse naturalmente por sedimentación en el agua quieta de lagos y océanos. Los estanques de sedimentación son estanques construidos con el propósito de eliminar los sólidos arrastrados por sedimentación. ^[2] Los clarificadores son tanques construidos con medios mecánicos para la eliminación continua de sólidos que se depositan por sedimentación; ^[3] sin embargo, la clarificación no elimina los sólidos disueltos . ^[4]

Los sólidos suspendidos (o SS) son la masa de sólidos secos retenidos por un filtro de una porosidad determinada en relación con el volumen de la muestra de agua. Esto incluye partículas de 10 μm y mayores.

Los coloides son partículas de un tamaño comprendido entre 1 nm (0,001 μm) y 1 μm, según el método de cuantificación. Debido al movimiento browniano y a las fuerzas electrostáticas que equilibran la gravedad, es poco probable que se sedimenten de forma natural.

La velocidad límite de sedimentación de una partícula es su velocidad teórica de descenso en agua clara y tranquila. En la teoría del proceso de sedimentación , una partícula sedimentará solo si:

1. En un flujo ascendente vertical, la velocidad ascendente del agua es menor que la velocidad límite de sedimentación.
2. En un flujo longitudinal, la relación entre la longitud del tanque y la altura del tanque es mayor que la relación entre la velocidad del agua y la velocidad límite de sedimentación.

La eliminación de partículas suspendidas por sedimentación depende del tamaño, el potencial zeta y la gravedad específica de dichas partículas. Los sólidos suspendidos retenidos en un filtro pueden permanecer en suspensión si su gravedad específica es similar a la del agua, mientras que las partículas muy densas que pasan a través del filtro pueden sedimentarse. Los sólidos sedimentables se miden como el volumen visible acumulado en el fondo de un cono Imhoff después de que el agua se haya sedimentado durante una hora. ^[5]

Se emplea la teoría gravitacional, junto con la derivación de la segunda ley de Newton y las ecuaciones de Navier-Stokes .

La ley de Stokes explica la relación entre la velocidad de sedimentación y el diámetro de las partículas. En determinadas condiciones, la velocidad de sedimentación de las partículas es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de las partículas e inversamente proporcional a la viscosidad del líquido. ^[6]

La velocidad de sedimentación, definida como el tiempo de residencia que tardan las partículas en sedimentarse en el tanque, permite calcular el volumen del tanque. El diseño y el funcionamiento precisos de un tanque de sedimentación son de gran importancia para mantener la cantidad de sedimento que ingresa al sistema de desviación en un umbral mínimo, manteniendo el sistema de transporte y la estabilidad de la corriente para eliminar el sedimento desviado del sistema. Esto se logra reduciendo la velocidad de la corriente lo más bajo posible durante el mayor período de tiempo posible. Esto es posible ensanchando el canal de acceso y bajando su fondo para reducir la velocidad del flujo, lo que permite que el sedimento se sedimente fuera de la suspensión debido a la gravedad. El comportamiento de sedimentación de las partículas más pesadas también se ve afectado por la turbulencia. ^[7]

Aunque la sedimentación puede ocurrir en tanques de otras formas, la eliminación de sólidos acumulados es más fácil con cintas transportadoras en tanques rectangulares o con raspadores que giran alrededor del eje central de tanques circulares. ^[8] Los estanques de sedimentación y los clarificadores deben diseñarse en función de la velocidad de sedimentación (v _s ) de la partícula más pequeña que se eliminará teóricamente en un 100%. La tasa de desbordamiento se define como: ^{[ cita requerida ]}

Tasa de desbordamiento (v _o ) = Caudal de agua (Q (m ³ /s)) / (Superficie del depósito de sedimentación (A(m ² ))

En muchos países, este valor se denomina carga superficial en m ³ /h por m ² . El valor de desbordamiento se utiliza a menudo para el flujo sobre un borde (por ejemplo, un vertedero) en la unidad m ³ /h por m.

La unidad de la tasa de desbordamiento suele ser metros (o pies) por segundo, una velocidad. Cualquier partícula con una velocidad de sedimentación ( v _s ) mayor que la tasa de desbordamiento se sedimentará, mientras que otras partículas se sedimentarán en la relación v _s / v _o . Existen recomendaciones sobre las tasas de desbordamiento para cada diseño que idealmente tienen en cuenta el cambio en el tamaño de las partículas a medida que los sólidos se mueven a través de la operación:

• Zonas de reposo: 9,4 mm (0,031 pies) por segundo
• Cuencas de flujo completo: 4,0 mm (0,013 pies) por segundo
• Cuencas fuera de línea: 0,46 mm (0,0015 pies) por segundo ^[9]

Sin embargo, factores como las oleadas de flujo, la cizalladura del viento, la erosión y la turbulencia reducen la eficacia de la sedimentación. Para compensar estas condiciones poco ideales, se recomienda duplicar el área calculada con la ecuación anterior. ^[9] También es importante igualar la distribución del flujo en cada punto de la sección transversal de la cuenca. Los diseños deficientes de entrada y salida pueden producir características de flujo extremadamente deficientes para la sedimentación. ^{[ cita requerida ]}

Los estanques de sedimentación y los clarificadores pueden diseñarse como rectángulos alargados (Figura 1.a), que son hidráulicamente más estables y más fáciles de controlar para grandes volúmenes. Los clarificadores circulares (Fig. 1.b) funcionan como un espesador común (sin el uso de rastrillos) o como tanques de flujo ascendente (Fig. 1.c). ^{[ cita requerida ]}

La eficiencia de la sedimentación no depende de la profundidad del tanque. Si la velocidad de avance es lo suficientemente baja como para que el material sedimentado no vuelva a suspenderse del fondo del tanque, el área sigue siendo el parámetro principal al diseñar un tanque de sedimentación o clarificador, teniendo cuidado de que la profundidad no sea demasiado baja. ^{[ cita requerida ]}

Los decantadores y clarificadores están diseñados para retener el agua de modo que los sólidos suspendidos puedan sedimentarse. Según los principios de sedimentación, las tecnologías de tratamiento adecuadas deben elegirse en función de la gravedad específica, el tamaño y la resistencia al corte de las partículas. Según el tamaño y la densidad de las partículas y las propiedades físicas de los sólidos, existen cuatro tipos de procesos de sedimentación:

• Tipo 1 – Diluido, no floculante , de sedimentación libre (cada partícula sedimenta independientemente).
• Tipo 2 – Diluido, floculante (las partículas pueden flocular a medida que se sedimentan).
• Tipo 3 – Suspensiones concentradas, decantación zonal, decantación dificultada (espesamiento de lodos).
• Tipo 4 – Suspensiones concentradas, compresión (espesamiento de lodos).

Diferentes factores controlan la velocidad de sedimentación en cada uno. ^[10]

La sedimentación sin obstáculos es un proceso que elimina las partículas discretas en una concentración muy baja sin interferencia de partículas cercanas. En general, si la concentración de las soluciones es inferior a 500 mg/L de sólidos suspendidos totales, la sedimentación se considerará discreta. ^[11] Las concentraciones de sólidos suspendidos totales (SST) del efluente de la pista de carreras en el oeste suelen ser inferiores a 5 mg/L netos. Las concentraciones de SST del efluente de la balsa de sedimentación fuera de línea son inferiores a 100 mg/L netos. ^[12] Las partículas mantienen su tamaño y forma durante la sedimentación discreta, con una velocidad independiente. Con concentraciones tan bajas de partículas suspendidas, la probabilidad de colisiones de partículas es muy baja y, en consecuencia, la tasa de floculación es lo suficientemente pequeña como para ser descuidada para la mayoría de los cálculos. Por lo tanto, el área de superficie de la balsa de sedimentación se convierte en el factor principal de la tasa de sedimentación. Todas las balsas de sedimentación de flujo continuo se dividen en cuatro partes: zona de entrada, zona de sedimentación, zona de lodos y zona de salida (Figura 2).

En la zona de entrada, el flujo se establece en una misma dirección de avance. La sedimentación se produce en la zona de sedimentación a medida que el agua fluye hacia la zona de salida. El líquido clarificado sale entonces de la zona de salida. Zona de lodos: los sedimentos se recogerán aquí y, por lo general, asumimos que se eliminan del flujo de agua una vez que las partículas llegan a la zona de lodos. ^[9]

En un tanque de sedimentación rectangular ideal, en la zona de sedimentación, la partícula crítica ingresa por la parte superior de la zona de sedimentación, y la velocidad de sedimentación sería el valor más pequeño para llegar a la zona de lodos, y al final de la zona de salida, el componente de velocidad de esta partícula crítica es la velocidad de sedimentación en dirección vertical (v _s ) y en dirección horizontal (v _h ).

De la Figura 1, el tiempo que necesita la partícula para sedimentarse;

t _o = H/v _h = L/v _s (3)

Dado que la superficie del tanque es WL, y v _s = Q/WL, v _h = Q/WH, donde Q es el caudal y W, L, H son el ancho, el largo y la profundidad del tanque.

Según la ecuación 1, este también es un factor básico que puede controlar el rendimiento del tanque de sedimentación, llamado tasa de desbordamiento. ^[13]

La ecuación 2 también muestra que la profundidad del tanque de sedimentación es independiente de la eficiencia de sedimentación, solo si la velocidad de avance es lo suficientemente baja para garantizar que la masa sedimentada no quede suspendida nuevamente del fondo del tanque.

En un tanque de sedimentación horizontal, algunas partículas pueden no seguir la línea diagonal de la Fig. 1, mientras que sedimentan más rápido a medida que crecen. Esto indica que las partículas pueden crecer y desarrollar una mayor velocidad de sedimentación si se encuentran a mayor profundidad y con un tiempo de retención más prolongado. Sin embargo, la probabilidad de colisión sería aún mayor si el mismo tiempo de retención se distribuyera en un tanque más largo y menos profundo. De hecho, para evitar cortocircuitos hidráulicos, los tanques suelen tener entre 3 y 6 m de profundidad y tiempos de retención de unas pocas horas.

A medida que aumenta la concentración de partículas en una suspensión, se llega a un punto en el que las partículas están tan próximas entre sí que ya no se sedimentan de forma independiente y los campos de velocidad del fluido desplazado por las partículas adyacentes se superponen. También se produce un flujo ascendente neto de líquido desplazado por las partículas sedimentadas. Esto da como resultado una velocidad de sedimentación de partículas reducida y el efecto se conoce como sedimentación obstaculizada.

Existe un caso común de sedimentación impedida. Toda la suspensión tiende a sedimentarse como una "manta" debido a su concentración de partículas extremadamente alta. Esto se conoce como sedimentación por zonas, porque es fácil hacer una distinción entre varias zonas diferentes que están separadas por discontinuidades de concentración. La figura 3 representa una prueba típica de columna de sedimentación por lotes en una suspensión que exhibe características de sedimentación por zonas. Hay una interfaz clara cerca de la parte superior de la columna que se formaría para separar la masa de lodo sedimentado del sobrenadante clarificado siempre que se deje reposar dicha suspensión en una columna de sedimentación. A medida que la suspensión sedimenta, esta interfaz se moverá hacia abajo a la misma velocidad. Al mismo tiempo, hay una interfaz cerca de la parte inferior entre esa suspensión sedimentada y la manta suspendida. Una vez que se completa la sedimentación de la suspensión, la interfaz inferior se movería hacia arriba y se encontraría con la interfaz superior que se mueve hacia abajo.

Las partículas sedimentadas pueden entrar en contacto entre sí y levantarse al acercarse al fondo de los tanques de sedimentación en concentraciones muy altas de partículas. De modo que solo se producirá una mayor sedimentación en la matriz ajustada a medida que disminuye la velocidad de sedimentación. Esto se puede ilustrar mediante la región inferior del diagrama de sedimentación por zonas (Figura 3). En la zona de compresión, los sólidos sedimentados se comprimen por la gravedad (el peso de los sólidos), ya que los sólidos sedimentados se comprimen bajo el peso de los sólidos superpuestos y el agua se expulsa mientras el espacio se hace más pequeño.

La sedimentación en el tratamiento de agua potable generalmente sigue una etapa de coagulación química y floculación , que permite agrupar las partículas en flóculos de mayor tamaño. Esto aumenta la velocidad de sedimentación de los sólidos en suspensión y permite la sedimentación de coloides.

La sedimentación se ha utilizado para tratar aguas residuales durante milenios. ^[14]

El tratamiento primario de las aguas residuales consiste en la eliminación de los sólidos flotantes y sedimentables mediante sedimentación. ^[15] Los clarificadores primarios reducen el contenido de sólidos suspendidos, así como el contaminante incrustado en los sólidos suspendidos. ^{[16] : 5–9} Debido a la gran cantidad de reactivos necesarios para tratar las aguas residuales domésticas, generalmente no se utilizan la coagulación química preliminar ni la floculación, y los sólidos suspendidos restantes se reducen en las siguientes etapas del sistema. Sin embargo, la coagulación y la floculación se pueden utilizar para construir una planta de tratamiento compacta (también denominada "planta de tratamiento en paquete") o para un mayor pulido del agua tratada. ^[17]

Los tanques de sedimentación llamados "clarificadores secundarios" eliminan los flóculos de crecimiento biológico creados en algunos métodos de tratamiento secundario, incluidos los lodos activados , los filtros percoladores y los contactores biológicos rotativos . ^{[16] : 13}

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