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METODOS DE TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE LODOS.
 Operaciones preliminares:
Bombeo de lodos, trituración de lodos, homogene...
residuos sólidos como rocas, ramas, pedazos de madera, hojas de arboles, papel, plásticos,
trapos y también puede retener ...
Espaciamiento de
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IN 1.0-2.0 (2.5-5.0cm ) 0.6-3.0 (2.5-5 cm)
Inclinación con la
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Grados 30-45 (30-45) 0-30
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hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación (m)
= Ángulo de la rejilla con la horizontal
También se puede ...
v=0.6 m/s
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Nota: En la práctica para diseño de estos equipos se adopta por lo menos una pérdida de
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Donde:
P = Potencia necesaria (W)
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Longitud palas del impulsor Numero de deflectores = 4
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z2= numero de dientes del engranaje o catalina conducida
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La distancia Lm puede calcularse aproximadamente por la ecuación de Scimeri en
función de la altura del vertedero P y la a...
Para que haya resalto estable y mezcla eficiente el número de Froud debe estar
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h1=0.065m
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T=Lj/Vm T= 3.36m/2.88m/s T=1.17s
h=0.67m
Lj= 6...
5. Oxidar hierro y manganeso
6. Remover sustancias volátiles productoras de olores y sabores
7. Degradar materia orgánica ...
Donde:
C=concentración del gas para un tiempo L
Co= concentración inicial en el liquido para un tiempo
t= tiempo de aireac...
x= Vo x t
x = (Vo Cos )
y= Vo y t – g(t2/2)
Vo2= Vox2+Voy2
El tiempo teórico de exposición de una gota de agua estará dada...
t= 2Vo Sen / g Vo= t*g/2 Sen Vo= Vo= 8.4m/s
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La ventilación es un factor importante en el diseño de estos aireadores y debe estudiarse
cuidadosamente para la selección...
Espesor 15-30 cm
Coque o piedra, diámetro 4-15 cm
Coque o piedra, diámetro 5 cm
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5-15 cm
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Datos: 0.8m3/min m2 0.013m3/s m2
Q= 5lt/s 0.005m3/s
Espaciamiento = 25mm 0.025m
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Q= Cc*A A= A= A= 0.38 m2 2 b...
Determinar la altura de la cascada con escalones de aireación requerida para
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de aliviaderos. Es posible mejorar la aireación creando turbulencia, mayor relación de
área/volumen, cuando e agua cae lib...
h= Presión del aire en el punto de descarga.
EJERCICIO
Determinar el Q teórico de aire necesario para realizar una aireaci...
flexibilidad de control en el grado de mezcla para caudales variables, sin embargo
como ventaja el poco mantenimiento.
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L= 0.20m/s * 1800s
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b) Volumen de agua
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c) Calculo del área transversal req...
Pérdidas adicionales
h= h= h=0.91m
Pérdidas totales 0.91m+0.031m=0.92m
Viscosidad cinemática= 1.139x10-6m2/s
Gradiente de ...
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Unidad 3

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Unidad 3

  1. 1. METODOS DE TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE LODOS.  Operaciones preliminares: Bombeo de lodos, trituración de lodos, homogeneización y almacenamiento de lodos. Espesamiento: Por gravedad Centrifugación Espesamiento con filtro de banda Espesamiento con filtro de tambor rotatorio. Estabilización, tratamiento térmico, digestión anaerobia, digestión aerobia, compostaje, deshidratación, centrifugación, filtro de banda, filtro de prensa, lecho de secado de lodos, aplicación en el suelo o relleno sanitario. TRATAMIENTO PRELIMINAR DE AGUAS RESIDUALES (PRETRATAMIENTO) Objetivos: 1. Acondicionar el agua residual para ser tratada 2. Remover materiales que pueden inferir con los equipos 3. Reducir la acumulación de materiales en los procesos ubicados aguas abajo. El problema operacional más serio que se presentan en sistemas individuales locales se relaciona con el arrastre de sólidos, grasas y aceites, debido a deficiencias en el diseño o falta de un apropiado mantenimiento, el uso de cámaras de filtración para efluentes de tanque séptico a reducido en forma significativa el vertimiento de sólidos suspendidos totales, grasas y aceites, la presencia de grasas y aceites ocasionan fallas en las unidades de tratamiento como filtros de arena intermitentes o con recirculación. El tratamiento preliminar consta de tamizado grueso, dilaceración, remoción de arenas, remoción de grasas y aceites, homogeneización de caudales y remoción de sólidos totales. TAMIZADO GRUESO (CRIBADO) Los residuos sólidos generados en el tamizado grueso, los cuales son recolectados sobre rejillas con separación de media pulgada o más, están compuestos básicamente de
  2. 2. residuos sólidos como rocas, ramas, pedazos de madera, hojas de arboles, papel, plásticos, trapos y también puede retener algo de materia orgánica como residuos de comida, heces, etc. La acumulación de grasas y aceites en estos sistemas puede convertirse en un serio problema, sobre todo en las zonas de clima frio. En la siguiente tabla se presentan datos típicos sobre cantidades esperadas de residuos gruesos en plantas centralizadas de tratamiento, servidas por alcantarillado convencional. ESPACIAMIENTO ENTRE BARRAS (IN) CONTENIDO DE HUMEDAD PESO ESPECIFICO (lb/ft3) VOLUMEN DE RESIDUOS DE TAMIZADO (ft3) 0.5 60-90 40-68 7 1.0 50-80 40-68 3 1.5 50-80 40-68 1.5 2 50-80 40-68 0.75 Las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales pueden o no requerir de rejillas según las características de los residuos. Las partículas suspendidas mayores a 0.64cm pueden removerse más económicamente mediante el cribado. Las rejillas finas son generalmente del tipo de diseño o tambor. CONSIDERACIONES DE DISEÑO La información básica para el diseño de rejillas de limpieza manual o mecánica se presenta en la siguiente tabla. PARAMETRO UNIDAD LIMPIEZA MANUAL LIMPIEZA MECANICA Tamaño de la barra Ancho Profundidad IN 0.2-0.6 (0.5-1.5cm) 0.2-0.6 (0.5-1.5 cm) IN 1.0-1.5 (2.5-7.5cm) 1.0-1.5 (2.5-7.5 cm)
  3. 3. Espaciamiento de barras IN 1.0-2.0 (2.5-5.0cm ) 0.6-3.0 (2.5-5 cm) Inclinación con la vertical Grados 30-45 (30-45) 0-30 Velocidad de aproximación ft/seg 1.0-2.0 (0.3-0.6m/s) 2.0-3.25 (0.6-1m/s) Perdidas admisibles IN 6.0 ( 15cm) 6.0 (15cm) Las perdidas hidráulicas a través de rejillas son una función de la velocidad de aproximación del fluido y la velocidad de flujo a través de los barrotes. Las pérdidas de carga a través de una rejilla se pueden estimar por medio de la siguiente ecuación: hL= hL=perdida de carga (ft,m) 0.7= Coeficiente empirico que incluye perdidas por turbulencia V= velocidad de flujo a través del espacio entre barras de la reja (ft/s;m/s) v= Velocidad de aproximación en (ft/s,m/s) g= gravedad (ft/s2,m/s2) Existe otra ecuación que me ayuda a encontrar la pérdida de energía en una rejilla limpia y es la siguiente: H=β (W/b)4/3hv Sen hv= H = Perdida de energía en metros β = Factor de forma de las barras β = 2.42 en Barras rectangulares de caras rectas 1.67 en Barras rectangulares con caras semicirculares 1.83 en Barras rectangulares con cara semicircular aguas arriba 1.79 en Barras circulares W = ancho máximo de la sección transversal de las barras en metros b= espaciamiento, separación mínima de las barras (m) (2.5 a 5)
  4. 4. hv = altura o energía de velocidad de flujo de aproximación (m) = Ángulo de la rejilla con la horizontal También se puede utilizar la expresión clásica para orificios H = Q= Caudal m3/s C = Coeficiente de descarga 0.6 en rejillas limpias A= Área efectiva del flujo de la rejilla en m2 EJERCICIO Determinar las pérdidas de carga para una rejilla en la cual 50% del área disponible para el flujo se encuentra obstruida por la acumulación de sólidos gruesos. Considerar las siguientes condiciones: Velocidad de aproximación 2ft/s Velocidad a través de la rejilla limpia 3ft/s Área de flujo para la rejilla limpia 2ft2 hL= H=? 50% coef=0.6 hL= = hL= 1/0.6 (0.253ft) hL = 0.420 ft Una rejilla de barras circulares de 2cm de diámetro instaladas con una inclinación de 50° con la horizontal, espaciamiento libre entre barras 2.5cm, recibe un caudal de 100lt/s con velocidad de 0.6m/s. determinar la perdida de energía a través de la rejilla limpia, la perdida supuesta para diseño, el ancho del canal de aproximación, la altura de la lamina de agua, la longitud de la rejilla y el numero de barras requeridas. Datos: H=β (W/b)4/3hv Sen 50°, β=1.79 Barras circulares H=1.79 (2cm/2.5cm)4/30.02m Sen 50° e= 2.5cm, Q= 100lt/s H=0.020m
  5. 5. v=0.6 m/s hv= hv= = 0.02m Nota: En la práctica para diseño de estos equipos se adopta por lo menos una pérdida de 0.15m Q=V*A A=Q/V A= (0.1m3/s)/(0.6m/s) A= 0.17m2 Q=V*x*y A=x*y y=2x A=x*2x A=2x2 x=0.3m y=0.6m long rejilla sen 50°=z/0.6m z= sen 50°*0.6m Numero de barras z=0.5m n*2+(n-1)2.5=30cm 2= diámetro de los barrotes n=7.22 7 30cm = ancho 2.5 = separación entre rejas HOMEGENEIZACION DE CAUDALES La variación tanto del caudal como de carga que presentan casi todos los afluentes de las plantas de tratamiento requieren de la homogeneización de caudales, para superar los problemas de tipo operativo y para reducir el tamaño y los costos de las unidades de tratamiento, ubicadas aguas abajo, la aplicación practica se da en plantas pequeñas que experimentan variaciones considerables entre los valores máximo y promedio de caudal y carga orgánica contaminante. Se la relación entre el caudal máximo y el promedio es de 2 o menos, la utilización de una unidad de homogenización puede que no resulte económica. Existen 2 tipos de unidades denominados: unidad en línea y unidad en derivación. 1. Unidad en línea 2. Unidad en derivación La homogeneización se puede usar también para amortiguar las variaciones en el pH y en la concentración de constituyentes tóxicos.
  6. 6. Para dimensionar el tanque es necesario realizar un análisis basado en un balance de masas, es decir el volumen de aguas residuales que ingresa a la planta en un intervalo de tiempo determinado, se compara con el volumen de agua promedio horario, calculado para un periodo de 24 horas. MEZCLA Mecánicas Hidráulicas POTENCIA DISIPADA EN LA MEZCLA Cuando mayor sea la energía suministrada en un fluido mayor será la turbulencia generada y por tanto la mezcal resultante será mucho mejor. La potencia disipada por unidad de volumen de líquido en la mezcla puede ser como parámetro para medir la eficiencia en la operación. G= G= Gradiente medio de velocidad (seg-1) P= Potencia necesaria (ft lb/s) (watt) = Viscosidad dinámica (Ns/m2), (kg/m seg), (lb seg/ft2) V= Volumen del floculador (ft3,m3) Viscosidad dinámica (kg/m seg) = viscosidad cinemática (m2/s) densidad kg/m3 Al multiplicar ambos lados de la ecuación por el valor del tiempo teórico de retención (td) se obtiene lo siguiente. Q = V/t td=V/Q G td = td G td = V/Q G td = 1/Q ( ) EJERCICIO Determinar la potencia teórica necesaria a 60° F usando la ecuación si a 60°F = 2.359X10-5 lb.s/pie2, b) Temperatura 4.4°C a) G=100s-1
  7. 7. 2832 m3 G= T= 15.6 °C =( T=15.6°C 1.1111x10- 3kg/m seg G2= P/ G2 =P P=(100seg-1)2 (1. 1111x10-3kg/m seg) * 2832 m3 P = 31.47 KW b) T= 4.4°C 1.5674x10-3kg/m seg P = 44.39 Cuando la temperatura del agua baja, la viscosidad aumenta y se requiere de mayor potencia. Según Rushton la potencia requerida para establecer condiciones de turbulencia completa en un tanque de mezcla rápida, el número de Reinolds debe ser mayor a 10000 N Re= Donde: Diametro del impulsor (m) Velocidad de rotación rps Densidad del fluido (kg/m3) Viscosidad dinámica (kg/m s) N Re Flujo Laminar N Re Flujo Turbulento  MEZCLADORES MECÁNICOS (HELICE Y TURBINA) En flujo laminar
  8. 8. P= K n2 D3 En flujo turbulento P= K n3 D5 Donde: P = Potencia necesaria (W) K= Constante depende del impulsor = Viscosidad = Densidad n = r.p.s. D = Diámetro del impulsor NOTA: Un impulsor de hélice en movimiento giratorio describe una hélice en un fluido, dependiendo de la inclinación de las aletas de la hélice, el fluido será desplazado longitudinalmente una distancia fija en cada revolución del impulsor. La relación entre dicha distancia y el diámetro del impulsor recibe el nombre de “pitch”, el impulsor tiene un pitch cuadrado cuando esta relación es igual a 1. La gradiente de velocidad tiene una relación con las revoluciones y según Letterman para optimizar la mezcla se puede usar la expresión siguiente: GTo C1.46=5.9X106 Donde: G= Gradiente de velocidad To= Tiempo optimo de mezcla rápida en segundos C= Dosis de alumbre o floculante (mg/lt) TIEMPO DE CONTACTO Y GRADIENTE DE VELOCIDAD PARA MEZCLA RAPIDA Según el manual de diseño de plantas de tratamiento de la AWWA TIEMPO DE CONTACTO (s) G (s-1) 20 1000 30 900
  9. 9. 40 790 700 INSFOPAL recomienda para el diseño de mezcladores rápidos, mecánicos, tiempo de retención de 10 a 90s, numero de Reinolds 100000; velocidad tangencial de las paletas 0.06m/s. ARBOLEDA: para mezcladores hidráulicos son más aconsejables gradientes de velocidades entre 100 y 200 seg-1 y cuando se usa canales Parshall como sistema de mezcla rápida la descarga debe ser libre y la profundidad del agua en las zonas convergentes de la canaleta debe hacerse mayor a 35cm. Para canaleta o canales de ancho de garganta mayor o igual a 30cm con lo cual se obtienen perdidas de energía mayor de 10.5cm RELACION Y CONDICIONES 2 2.7 3.9 0.9 Donde d= diámetro impulsor H= altura de liquido L= diámetro del tanque h= altura del tanque EJERCICIO Hallar las dimensiones de un mezclador rápido, equipado con una turbina de 6 aletas planas para una planta de purificación que trata 500lt/s, la dosis óptima es 50mg/lt, la temperatura media del agua es 15°C. Datos Turbina 6 aletas Q = 500lt/s GTo C1.46=5.9X106
  10. 10. Dosis = 50mg/lt G= T= 15°C G= G= 975.7 s-1 Q = Q = V/t V= Q*t V = 0.5 m3/s * 20seg V= 10 m3 10m3 100 X 10% X=1m3 10m3+1=11m3 Volumen de diseño Diámetro impulsor = 1/3 diámetro del tanque d=1/3 D D=3d D/d=3 Altura del tanque H= D diámetro del tanque V= Ho*A HD=2D V = H=3.82m V= V = (2 D= D= 1.91 Diámetro del impulsor d=1/3 D d= 1/3 (2m) Anchura palas impulsor d=0.7m q=1/5 d Altura del impulsor q=1/5 (0.7m)
  11. 11. H1=d q=0.14m H1= 0.7 m Longitud palas del impulsor Numero de deflectores = 4 r=1/4d r=1/4(0.7m) r=0.2m Diámetro disco central Anchura de los deflectores S=1/4(2m) Ws=1/10D S=0.5m Ws=1/10(2m) Ws=0.2m Potencia T= 15°C =1.11x10-3Kg/m s P=G2*V* P= (975.7seg-1)2*(10m3)*(1.11x10-3kg/m s) P= 10567 W 10.57KW 10567 100% (Regla directa) X 80% x=13208.75W 1hp=0.74570KW 13208.75 17.71hp P=K n3 D5 n= n= n=1.45 r.p.s. 87 r.p.m. Ecuación de relación de transmisión i= d2=diámetro de la polea de conducido d1=diámetro de la polea del conductor n1=r.p.m. del conductor n2=r.p.m. conducido
  12. 12. z2= numero de dientes del engranaje o catalina conducida z1=numero de engranaje o catalina conductor w1= velocidad angular conductor w2= velocidad angular conducido MEZCLA RAPIDA EN VERTEDEROS RECTANGULARES La metodología de cálculo fue formulada por Richter con las siguientes limitaciones: 1. Vertedero rectangular sin contracciones laterales en caída libre 2. Relación P/hc la menor posible para reducir la perdida de energía en la caída libre de la lamina vertedora. 3. Para que el vertedero rectangular pueda ser usado como aforador la relación P/hc debe ser mayor de 3 4. En plantas pequeñas caudal constante y flujo por gravedad Para asegurar una dispersión homogénea y continua del coagulante, el coagulante debe aplicarse sobre la sección 1, a una distancia Lm del vertedero y no es recomendable la aplicación del coagulante a una distancia menor de Lm porque haría que parte del agua cruda recibiese una dosis mayor de coagulante y la restante una dosis menor, cuando la lamina de agua llega al fondo se divide en secciones de flujo laminar y turbulento. El chorro secundario arrastra parte del agua hacia el punto A haciendo que parte del agua cruda reciba mas floculante por lo que no es recomendable.
  13. 13. La distancia Lm puede calcularse aproximadamente por la ecuación de Scimeri en función de la altura del vertedero P y la altura de la lámina de agua H Lm es igual: Lm=1.45 P0.54 H0.46 Pared delgada El valor de Lm se incrementa para tener en cuenta la distancia adicional correspondiente el ancho de la lamina vertiente en el punto de reposo. Para vertederos rectangulares de pared gruesa se usa la ecuación, deducida experimentalmente: Lm=4.3 P0.1 hc0.9 Pared gruesa La profundidad crítica hc resulta de la siguiente expresión: hc= q= Q/B Donde: hc=profundidad critica g= gravedad q = caudal por unidad de ancho del vertedero. Q= caudal B= ancho del vertedero Cuando hay resalto, la profundidad del agua en la sección 1 debe estar relacionada con la profundidad crítica (hc) por la ecuación de White Las profundidades antes y después del resalto h1 y h2 están relacionadas entre si por la siguiente expresión. F1= Donde V1= Velocidad en el punto 1 g= gravedad F1= Numero de Froud
  14. 14. Para que haya resalto estable y mezcla eficiente el número de Froud debe estar comprendido entre 4.5 y 9; el valor de V1 y V2 se calcula por las siguientes expresiones: h= metros La longitud del resalto Lj se calcula con la fórmula de Smetana Lj=6 (h2-h1) El tiempo de mezcla T se calcula T= Vm= Vm=Velocidad media Y la gradiente de velocidad G= Donde viscosidad dinámica T= tiempo de mezcla G= gradiente de velocidad Densidad del agua h= Perdida de energía EJERCICIO Calcular el gradiente de velocidad y el tiempo de mezcla rápida del vertedero rectangular sin contracciones esquematizado en la figura para un caudal de 120lt/s, una 1.307x10-3 N/s m2 Datos: G=? T=? Q= 120Lt/s 0.12m3/s = 1.307x10-3Nseg/m2 q= Q/B q= q= 0.24m3/s hc= hc= hc=0.18m 18cm
  15. 15. h1=0.065m h1=0.065m 65cm V1=q/h1 V1= V1= 3.69m/s F1= F1= F1= 4.62 h2=0.39m V2= q/h2 V2= V2=0.62m/s T=Lj/Vm T= 1.95m/2.16m/s T=0.90s h=0.34m Lj= 6 (0.39-0.065)m Lj=1.95m Vm = Vm = Vm= 2.16m/s = 9800kg/m2s2 G= G= G=1683 s-1 Calcular la G y el tiempo de mezcla rápida del vertedero rectangular sin contracciones de la figura, que sirve como mezclador para un caudal de 350lt/s, el ancho del canal es igual a 0.70m y la altura P del vertedero sobre el fondo del canal es 2m, suponga una viscosidad dinámica de 1.307x10-3 Ns/m2 Datos: G=? T=? Q= 350lt/s Ancho canal=0.70m P=2m q= Q/B q= q= 0.5m3/s hc= hc= hc=0.29m
  16. 16. V1=q/h1 V1= V1= 5m/s h1=0.1m F1= F1= F1= 5 h2=0.66m V2= q/h2 V2= V2=0.76m/s T=Lj/Vm T= 3.36m/2.88m/s T=1.17s h=0.67m Lj= 6 (0.66-0.1)m Lj=3.36m Vm = Vm = Vm= 2.88m/s = 9800kg/m2s2 G= G= G= 2072 s-1 AIREACIÓN En tratamiento de aguas se entiende por aireación al proceso mediante el cual el agua es puesta, en contacto íntimo con el aire, con el propósito de modificar las concentraciones de sustancias contenidas en ellas. Las funciones más importantes de la aireación son: 1. Transferir el oxigeno al agua para aumentar el OD 2. Disminuir la concentración de CO2 3. Disminuir la concentración de H2S 4. Remover gases como: metano, cloro y amoniaco
  17. 17. 5. Oxidar hierro y manganeso 6. Remover sustancias volátiles productoras de olores y sabores 7. Degradar materia orgánica cuando el tratamiento secundario por bacterias aerobias. FUNDAMENTACION TEÓRICA De acuerdo con la primera ley de dilución de Fick la tasa de cambio en la concentración de una sustancia volátil se expresa por la siguiente ecuación: =tasa de cambio en la concentración (mg/l s) K= coeficiente de transferencia de la sust. Volátil (m/s) A= área de contacto entre la fase gaseosa y fase liquida (m2) V=volumen de la fase liquida (m3) Cs=concentración de saturación del gas en el liquido (mg/l) C= concentración de gas o sustancia volátil en el liquido (mg/l) La ecuación anterior indica que la tasa de cambio en la concentración del gas durante la aireación es directamente proporcional al área de contacto A, al déficit de saturación y al coeficiente de transferencia e inversamente proporcional al volumen del líquido expuesto. En la desorcion o liberación de un gas o sea cuando la concentración del gas disminuye con el tiempo o se desgasifica una solución sobresaturada, la taza de difusión (dc/dt) aumenta a medida que la concentración disminuye. En la absorción o sea cuando la concentración del gas aumenta con el tiempo o periodo de aireación la ecuación es diferente. C =Cs+(Co-Cs) Desorción C= Cs – (Cs-Co) Absorción
  18. 18. Donde: C=concentración del gas para un tiempo L Co= concentración inicial en el liquido para un tiempo t= tiempo de aireación = área V= Volumen AIREADORES DE FUENTE O SURTIDORES Consisten usualmente en una serie de toberas fijas, sobre una malla de tuberías, las cuales dirigen el agua hacia arriba verticalmente o en ángulo inclinado, de tal manera que el agua se rompe en gotas pequeñas, tiene un gran valor estético pero requiere un área grande. La velocidad inicial de una gota emergente de una tobera u orificio esta dado por la siguiente ecuación: Vo= La descarga por la expresión: Q=Cd A Vo= velocidad inicial g= gravedad h = energía total sobre la tobera (m) generalmente de 1.2-9; 7.1-14.2 Cd= Coeficiente de descarga. Determinado experimentalmente para la boquilla según su tipo y forma generalmente (0.75-0.95) Cc= Calculado en base a regresiones lineales A= Área de la tobera en m2 La trayectoria de un chorro de agua en el aire puede analizarse aplicando el teorema de Bernoulli
  19. 19. x= Vo x t x = (Vo Cos ) y= Vo y t – g(t2/2) Vo2= Vox2+Voy2 El tiempo teórico de exposición de una gota de agua estará dada por la siguiente ecuación: t= 2Vo Sen / gt= 2 Cd Sen Cd= Coeficiente de descarga Por lo tanto para un valor de (h) dado t será máximo para el chorro vertical o sea para el sen =1 Sin embargo en los chorros inclinados existe la ventaja de una trayectoria más larga y menor interferencia entre las gotas al caer. El tamaño, el numero y la distancia entre toberas depende de la energía o consumir generalmente se usan toberas de 2.5 a 3.8cm de diámetro con descargas de 4.7 a 11lt/s. Nota: en una bomba trifásica se le puede colocar un regulador de frecuencia para cambiar V y variar Q. Ya a presiones de 69 kPa, esparcidas de 0.6 a 3.6m, el área requerida varia de 0.11 y 0.32m2 por litro/s de agua esparcida. EJERCICIO Para airear adecuadamente agua se requiere mantener el agua en el aire 1.7s, lanzándolos con una boquilla de 2.5cm de diámetro, el cd=0.85, la boquilla forma un ángulo de 85°C con la horizontal. Hallar: a) Velocidad inicial del flujo b) Distancia hasta donde llega el chorro c) Caudal por la boquilla d) Presión de trabajo requerida.
  20. 20. t= 2Vo Sen / g Vo= t*g/2 Sen Vo= Vo= 8.4m/s Ymax=(Vo Cos ) t Ymax=(8.4m/s Cos ) 1.7s Ymax=1.24 m Q= Vo * A Q= 8.4m/s* Q= 0.0041 m3/s Q= Cd A (Q)2= (Cd A )2 h= h= h=4.5m 4.5m*1000kg/m3=4500kg/m2 4500kg/ m2 0.45Bars Dada las condiciones del problema anterior hallar el área y las dimensiones de un aireador para 300lt/s. # Boquillas = # Boquillas = = 75 Espacio: 0.6 a 3.6m Distancia de tubo a tubo 1.5m Se colocara 7 filas con 11 boquillas cada una Distancia entre boquillas 0.6m Tubo de diámetro = 1 IN 0.032m DISEÑO DE AIREADORES DE BANDEJAS MULTIPLES Un aireador de bandejas múltiples consiste en una serie de bandejas equipadas con ranuras, fondos perforados o mallas de alambre, sobre las cuales se distribuye el agua se deja caer a un tanque receptor en la base. En muchos aireadores de bandeja se coloca medio grueso de coque, piedra, ladrillo triturado o cerámica, de 5-15 cm de diámetro, para mejorar la eficiencia del intercambio de gases y la distribución del agua; en plantas de remoción de hierro y manganeso, para usar el efecto catalítico de los depósitos de hierro y manganeso. Generalmente se usan de 3 a 9 bandejas, comúnmente 3 a 5; el espaciamiento entre bandejas es de 30 a 75 cm. el área requerida para las bandejas varía entre 0,05 a 0,15 m2 por L/s de agua tratada, generalmente menos de 0.06 m3. Otros autores especifican medio de contacto de 3 a 6 cm de diámetro, separación entre bandejas de 30 – 60 cm y 3,5 a 7,0 L/s por cada m2 de lecho de contacto. La altura del aireador de bandejas suele ser de 2 a 3m.
  21. 21. La ventilación es un factor importante en el diseño de estos aireadores y debe estudiarse cuidadosamente para la selección del sitio de localización. La corrosión, la formación de lamas biológicas y crecimientos algales son factores de importancia en el diseño de aireadores; por ello, se construyen con materiales durables como acero inoxidable, aluminio, concreto o maderas resistentes. Los crecimientos biológicos y de algas pueden controlarse mediante tratamiento del agua cruda con cloro y sulfato de cobre. La remoción de CO2 en estos aireadores puede calcularse, aproximadamente, por la formula de Scott. Cn = Co x 10-kn Donde: Cn = Concentración de CO2 en mg/L después de pasar por n bandejas Co = Concentración original de CO2, mg/L n = Numero de bandejas k = 0,12 – 0,16, constante que depende de la ventilación, temperatura, turbulencia y característica de la instalación. La aireación raras veces reduce el CO2 a menos de 4,5 mg/L. Factores de diseño utilizados para aireadores de bandejas se incluyen en el cuadro a continuación: PARAMETRO VALOR UNIDAD Carga hidráulica 550 -1800 m/d (Caudal/área total de bandejas) <700 m/d 300-600 m/d 500-1600 m/d 120 m/d 60-300 m/d <300 m/d 600-1200 m/d Numero de bandejas 3-5 4-6 >3 Altura total del aireador 1,2-3 m Lecho de contacto
  22. 22. Espesor 15-30 cm Coque o piedra, diámetro 4-15 cm Coque o piedra, diámetro 5 cm Esferas de cerámica, diámetro 5-15 cm Orificios de distribución, diámetro 5-6 cm 5-12 cm Separación entre orificios 2,5 cm 2,5 – 7,5 cm Profundidad de agua en la bandeja 15 cm Separación entre bandejas 30-75 cm <30 cm Eficiencia en remoción de CO2 30-60% EJERCICIO Un aireador de bandejas tiene las siguientes características: Bandejas de laminas perforadas de 0.76x2.1m cada una, medio de contacto de 2.5 a 5cm de diámetro de altura de la entrada del agua, 2.4m y separación entre bandejas de 0.6m. Calcular en l/s el Q que puede tratar dicho aireador si la carga debe ser de 5 lt/m2s o también 432m/d. 4 bandejas A= 0.76 x 2.1m x bandeja A= 1.6m2 Área total = 1.6 m2 * 4 Área total= 6.4 m2 Q= Carga m/d * Área m2 Q= 5lt/ m2s * 6.4 m2 Q = 3.2lt/s Diseñar un aireador de 2 bandejas para un caudal máximo de 5lt/s
  23. 23. Datos: 0.8m3/min m2 0.013m3/s m2 Q= 5lt/s 0.005m3/s Espaciamiento = 25mm 0.025m = 5 mm 0.005m Q= Cc*A A= A= A= 0.38 m2 2 bandejas A=0.38/2 =0.19 m2 a=2b A=a*b A= 2b*b A=2b2 0.19m2=2b2 b= b= 0.31m a=2b a=2(0.31m) a= 0.62m Numero de agujeros por fila N( N( 0.005m N+0.025m N = 0.62m -0.025m N (0.005m+0.025m)=0.60m N=20 Numero de agujeros por columna N columnas= Nc= Nc=10 Total agujeros = 20*10= 200 Espacio entre los extremos Ee= Ee= Ee= 0.02m Área del agujero A= A= A=0.00002m2 Velocidad V= Q/A*#agujeros V= (0.005m3/s)/(0.00002m2*200) V= 1.25m/s
  24. 24. Determinar la altura de la cascada con escalones de aireación requerida para oxigenar agua con una temperatura de 20°C, sugonga un efluente de aguas residuales con 0.0mg/l de oxigeno disuelto, se desea elevar el oxigeno a 5mg/lt. H=? Cs=9.27mg/lt H= H= H=1.98m R= R= R=2.2 a= 0.8 Aguas Residuales b= 1.1 escalones Altura escalones= 20cm Número de escalones = 10 Longitud = 45cm Construir escalones de 20cmx45cm de longitud DISEÑO DE AIREADORES EN CASCADAS Y VERTEDEROS (AGUA EN AIRE) En este tipo de aireadores el agua se deja caer, en láminas o capas delgadas, sobre uno o más escalones de concreto. El aireador de cascada produce una pérdida de energía grande, pero es muy sencillo. Con una cascada y 40cm de profundidad de suministro se pueden airear 9000 m3/d de agua con remociones del 50-60% de CO2-. El aireador de cascadas se diseña como una escalera; entre más grande sea el área horizontal más completa es la aireación. La aireación ocurre en las áreas de salpicamiento en forma similar a la que ocurre en un rio turbulento; por ello se acostumbra colocar salientes, bloques o vertederos en los extremos de los escalones. La carga hidráulica de estos aireadores puede ser de 10-30 L/s. m2 u 864-2592 m/d, donde la carga hidráulica es la relación entre el caudal aplicado y el área horizontal del aireador; la altura de los escalones, de 20-40cm, y la altura total, de 1-3 m. La aireación en vertederos y aliviaderos es factible cuando existe suficiente energía disponible; en ese caso el sistema es económico, no se requiere energía adicional y el mantenimiento es sencillo. El sistema de aireación con vertederos es más eficiente que el
  25. 25. de aliviaderos. Es posible mejorar la aireación creando turbulencia, mayor relación de área/volumen, cuando e agua cae libremente de un nivel superior a uno inferior que cuando cae deslizándose sobre la cara del vertedero. La eficiencia del aliviadero también puede aumentarse si se aumenta la rugosidad del canal o si se crea un resalto hidráulico. En un vertedero, la aireación ocurre durante la formación de la capa agua-aire en la cresta del vertedero en caída libre. La transferencia de gases se mejora por entrapamiento y salpicamiento en la superficie inferior de agua. La oxigenación sobre un vertedero puede calcularse por la siguiente ecuación: lnr20 = K(D + 1.5 Hc)nqpHt donde: r20= relación de déficit de oxigeno a 20° C r20= = Valor de saturación de OD a 20°C, mg/L C0 = Concentración de OD antes de la caída, mg/L C= Concentración de OD después de la caída, mg/ POTENCIA DISIPADA PARA AIREADORES NEUMATICOS Cuando se inyecta aire en unidades de mezcla, aireación y floculadores, la potencia disipada al ascender las burbujas del aire se puede estimar con la siguiente expresión: P=Pa Va ln Donde: P=potencia disipada Pa= presión atmosférica (lb/ft2; KN/m2) Va= Volumen de aire introducido a Patm (ft3/s,m3/s) Pc=Presión del aire en el punto de descarga (lb/ft2;KN/m2) La ecuación anterior se desarrollo considerando que el trabajo realizado en la expansión del aire inyectado bajo condiciones de compresión isotérmica. Si el Q del aire a Patm se expresa en ft3/min o m3/min y la P se expresa en ft o m de columna de agua. La ecuación se puede escribir de la siguiente manera: P=kQa ln (h+34/34) S. ingles P=kQa ln (h+10.33/10.33) S. Internacional K= constante igual a 81.5 S. Ingles K= constante igual a 1.689 S. Internacional Qa= Caudal de aire a P. atmosférica
  26. 26. h= Presión del aire en el punto de descarga. EJERCICIO Determinar el Q teórico de aire necesario para realizar una aireación neumática d e contenido de un reactor de 105ft3. Si la gradiente G es igual a 50s-1, supóngase que la temperatura del agua es 15.6°C. las dimensiones del tanque son: largo 100ft, ancho 50ft, alto 20ft. V R =100000 ft3 2833.86m3 G= 50s-1 T=15.6°C Alto = 20ft 6.10m P= G2 V P=(50s-1)2*1.141X10-3kg/ms*2833.86m3 P=8083.7W P=8083.7W 8.083KW Qa= Qa= Qa=10.30m3/min Qa=10.30m3/min 363.5ft3/min DISEÑO DE FLOCULADORES CONSIDERACIONES: La agitación del agua mediante mezcla hidráulica o mecánica produce gradientes de velocidad cuya intensidad controla el grado de floculación producido. El número de colisiones entre partículas está relacionado directamente con la gradiente de velocidad. Los floculadores hidráulicos de flujo horizontal se usan para plantas pequeñas, caudales menores a 50lt/s, que se construyen más profundos de 2 a 3m para plantas grandes. En comparación con los floculadores mecánicos se puede señalar como desventajas de los floculadores hidráulicos la alta perdida de carga y la poca
  27. 27. flexibilidad de control en el grado de mezcla para caudales variables, sin embargo como ventaja el poco mantenimiento. El tipo de agitador más usado es el de paletas. Los criterios principales que controlan el proceso de floculación son: Intensidad de mezcla (G) y periodo de agitación (t). Según Camp Stein la relación básica para caracterizar el proceso de floculación es N= Donde N= Gradiente de colisiones G= Gradiente de velocidad N1= Partículas en suspensión que causan turbiedad, generalmente de diámetro d1 N2= Partículas o flocs de tamaño d2 EJERCICIO Determinar las características básicas de un floculador hidráulico de flujo horizontal para un Q=70lt/s, se supone velocidades de 0.20m/s, tiempo de 30min Datos Q=70lt/s m3/s V= 0.20m/s (Autor) t=30min 1800s (pruebas de jarras) a) Caudal, la distancia de recorrido L= V*t
  28. 28. L= 0.20m/s * 1800s L=360m b) Volumen de agua Q=V/t V=Q/t V= (0.07m3/s)/(1800s) V=126m3 c) Calculo del área transversal requerida de un canal entre bafles a= V/L a=126m3/360m a=0.35m2 a=Q/V a=0.07/0.2m2 a=0.35m2 Para la distancia recomendada pro bafles de 0.45m INSFOPAL calculo la profundidad. d) Profundidad (d) d= d= d=0.78m e) Como la profundidad es menor que la altura calculada a 0.90m corrijo la separación entre bafles Separación entre bafles 0.45 d= d=1m f) Asumimos un borde libre d+20cm profundidad =1-30m El espacio libre entre los tabiques y la pared del tanque será de 1.5x0.35=0.53m, por recomendaciones se adopta un espacio libre de 0.60cm, para un ancho útil de la cámara del floculador de 3m la longitud defectiva de cada canal será: l= longitud efectiva, l=3-0.60 =2.40m; por lo tanto el # requerido de canales será: N= L/l N=360m/2.40m N= 150 canales Suponiendo un espesor de cada tabique de 3cm. Las perdidas por fricción en el tanque según la fórmula de Manning H=hf+h hf= hf= hf=0.031m E= N*espacio +(N-1)*espesor tabique E=150*0.35+149*0.03 E=57m Perímetro húmedo= 1+1+0.35=2.35m
  29. 29. Pérdidas adicionales h= h= h=0.91m Pérdidas totales 0.91m+0.031m=0.92m Viscosidad cinemática= 1.139x10-6m2/s Gradiente de velocidad G= G= G=67s-1 Número de camp = Gt= 67*30*60 Gt=120600

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