Sedimentação: Operação Unitária na Engenharia Ambiental

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SEDIMENTACIóN
Universidad NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
Facultad de CIENCIAS AGROPECUARIAS
EscUELA ProfESIONAL
DE 
INGENIERIA AMBIENTAL
INTRODUCCION
El estudio de la sedimentación ha experimentado un sensible incremento en los últimos años a consecuencia de la sensibilización por los temas medioambientales. La sedimentación es un fenómeno natural que sustenta una de las operaciones básicas en ingeniería de procesos, cuyas aplicaciones más eficientes y económicas, y cuyos más estimulantes requerimientos, tienen lugar con frecuencia en el ámbito del tratamiento de efluentes residuales. 
La sedimentación se presenta ahora como una operación susceptible de una rigurosa modelización analógica con respecto a otras operaciones de transporte, lo que representa los cimientos para un adecuado control de operación 
DEFINICION DE SEDIMENTACION:
La sedimentación es una operación unitaria consistente en la separación por la acción de 
la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener un lodo (cake) y un líquido claro. 
CLASIFICACION
SE PUEDEN CLASIFICAR SEGÚN:
MOVIMIENTO DE LA PARTICULA
 DEPENDIENDO DE CÓMO SE REALICE LA OPERACIÓN
CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIOS SEDIMENTARIOS 
CLASIFICACIÓN POR MOVIMIENTO DE LA PARTICULA
Sedimentación libre:
 se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. 
Sedimentación por zonas:
se observa en la sedimentación de suspensiones concentradas con diferente velocidad de sedimentación.
CLASIFICACIÓN DEPENDIENDO DE CÓMO SE REALICE LA OPERACIÓN
Sedimentación intermitente: transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar. 
Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.
 
CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIOS SEDIMENTARIOS PARÁMETROS QUE LOS CARACTERIZAN
Físicos: Precipitación, temperatura, medio de transporte predominante, velocidad del medio, corrientes y su dirección porque no es lo mismo un río que va al mar que un estuario que el mar entra en el río.
Químicos: La composición química de la roca, según sean silicatadas o carbonatadas el efecto es diferente, la composición química del agua, es decir, la cantidad de iones disueltos que alteran el pH.
Biológicos: La flora y la fauna, y sobre todo la interacción flora y fauna- sedimentos.
LOS FACTORES QUE AFECTAN A LA SEDIMENTACIÓN SON:
1) Forma y tamaño de las partículas sólidas
2) Densidad relativa de las partículas frente al líquido
3) Viscosidad de la mezcla
4) Temperatura
5) Presencia de electrolitos
6) Factores externos (viento, evaporación,...)
DISPOSITIVOS SEDIMENTADORES
DESARENADOR
Diseñado para que se sedimenten y retengan sólo partículas mayores de un cierto diámetro nominal y en general de alto peso específico (arena)
Convencional: 
Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Las partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con que son transportadas por el agua. Son generalmente de forma rectangular y alargada, dependiendo en gran parte de la disponibilidad de espacio y de las características geográficas. La parte esencial de estos es el volumen útil donde ocurre la 	 sedimentación. 
 
Desarenadores de flujo vertical:
 El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales. 
Desarenadores de alta rata:
 Consisten básicamente en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente láminas planas paralelas, que se disponen con un ángulo de inclinación con el fin de que el agua ascienda con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas superficiales mayores que las generalmente usadas para desarenadores convencionales y por tanto éste es más funcional, ocupa menos espacio, es más económico y más eficiente.
 
 
SEDIMENTADORES O DECANTADORES:
Normalmente utilizados en plantas de tratamiento de agua potable, y aguas residuales o servidas.
PRESAS FILTRANTES
Destinadas a retener los materiales sólidos en las partes altas de las cuencas hidrográficas.
Estas presas se pueden construir en tierra, en piedra, en concreto y compuestas. En la de tierra se construye un dique relativamente impermeable, el cual es atravesado por un tubo que se apoya sobre el terreno natural, hasta una cierta distancia del dique. En el dique de piedra se puede utilizar como también no utilizarse los morteros para ligar las piedras. Los espacios que hay entre piedras provocan las filtraciones. Se puede colocar un filtro dependiendo el tipo de material que se quiera detener, ejemplo de estos filtros puede ser uno de arena o de grava.
 SEDIMENTACIÓN POR ZONAS
Inicio del experimento, suspensión homogénea
Aparece A, aparece C y D, disminuye la magnitud de B
Incremento de A, desaparece B y C y se incrementa D
 Aumenta A y disminuye D
EQUIPO PARA SEDIMENTACIÓN:
Tanques simples de precipitación por gravedad:
Son tanque de distintos diseños, formas tamaños, y se usan para separación de una fase liquida dispersa en otra fase, también son llamados sedimentadores estáticos
Sedimentador Cilíndrico-Cónico
Sedimentador Estático de flujo horizontal:
	
Sedimentador laminar:
Sedimentador Estático de Barrido de Fango:
Sedimentadores de equipo para clasificación:
El clasificador mas simple, consiste en tanques subdivididos en varias secciones, la alimentación consisten en suspensión líquida que contiene partículas sólidas de tamaño comprendido.
Espesador de sedimentación:
La separación de una suspensión diluida por acción de la gravedad para obtener una suspensión con una mayor concentración de sólidos.
APLICACIONES DE LA SEDIMENTACION:
Clarificación: Obtener una fase líquida clara, sin sólidos en suspensión (ejemplo: tratamiento de aguas)
Espesamiento: Obtener una pulpa de densidad adecuada para alguna operación subsiguiente (ejemplo: pulpa para filtrado)
La sedimentación es muy empleada en procesos de separación. 
Uno de los procesos de formación del suelo es la sedimentación. Esto ocurre cuando el agua de los ríos arrastra material sólido hasta las lagunas y mares y estas al secarse dejan expuestos los componentes que a través del tiempo le fueron quitando al suelo en otras partes de su recorrido.
Potabilización del agua
En la potabilización del agua, el proceso de sedimentación está gobernado por la ley de Stokes, que indica que las partículas sedimentan más fácilmente cuanto mayor es su diámetro, su peso específico comparado con el del líquido, y cuanto menor es la viscosidad del mismo. Por ello, cuando se quiere favorecer la sedimentación se trata de aumentar el diámetro de las partículas, haciendo que se agreguen unas a otras, proceso denominado coagulación y floculación.
Coagulación 
la formación de partículas de mayor tamaño y peso específico, a partir de material coloidal por un proceso de coagulación.
La coagulación se efectúa agregando los reactivos adecuados en la cantidad mas conveniente y mezclando estos con el agua en un flujo turbulento con intensa agitación.
El tiempo requerido para la coagulación es mínimo y es suficiente una agitación de 1-3 minutos. 
Floculación
 La formación de partículas de mayor tamaño y densidad, a partir de los coágulos producidos anteriormente que floculan por la acción de un agente químico 
La floculación toma mas tiempo y normalmente el tiempo de retención en la unidad de floculación es de 20 a 40 minutos.
Tratamiento de las aguas residuales
En el tratamiento de las aguas residuales, este proceso se realiza para retirarla materia sólida fina, orgánica o no, de las aguas residuales, aquí el agua pasa por un dispositivo de sedimentación donde se depositan los materiales para su posterior eliminación, el proceso de sedimentación puede reducir de un 20 a un 40 % la DBO y de un 40 a un 60 % los sólidos en suspensión.
Las impurezas naturales pueden encontrarse en las aguas según tres estados de suspensión en función del diámetro. Éstos son: 
a) Suspensiones hasta diámetros de 10-4 cm. 
b) Coloides entre 10-4 y 10-6 cm. 
c) Soluciones para diámetros aún menores de 10-6 cm.
Estos tres estados de dispersión dan igual lugar a tres procedimientos distintos para eliminar las impurezas. 
- El primero destinado a eliminar las de diámetros mayores de 10-4 cm constituye la "sedimentación simple". 
- El segundo implica la aglutinación de los coloides para su remoción a fin de formar un "floc" que pueda sedimentar. 
- Finalmente, el tercer proceso, que esencialmente consiste en transformar en insolubles los compuestos solubles, aglutinarlos para formar el "floc" y permitir así la sedimentación.
VELOCIDAD DE SEDIMENTACION DE ALGUNAS PARTICULAS
	 
D (mm)	 
Clasificación	Velocidad de Sedimentación (mm/s)	 
Tiempo para sedimentar 0,3 m.
	10,0	Grava	1000,00	0,3 seg.
	1,0	Grava	100,00	3,0 seg.
	0,1	Arena Gruesa	8,00	38 seg.
	0,01	Arena Fina	0,154	33 min.
	0,001	Bacterias	0,00154	35 horas
	0,001	Coloides	0,0000154	230 días
	0,0001	Coloides	0,000000154	63 años
Valores de la "velocidad de sedimentación" correspondiente a partículas de peso específico 2,65 kg/dm3 y a una temperatura del agua de 10 °C, teniendo en cuenta distintos diámetros y los tiempos necesarios para sedimentar 0,3 m. 
SEDIMENTACIÓN LIBRE
Proceso en la cual una partícula esta a suficiente distancia de las paredes del recipiente y de otras partículas, de manera que no afecten su caída.
Sedimentación libre
Es cuando el movimiento de las fases es debido solamente al efecto de las fuerzas de gravedad, flotación y resistencia sobre el sistema. En términos generales la sedimentación es considerada libre cuando: 
- El diámetro de las partículas es 200 veces menor al del recipiente en que están sedimentando
- la concentración de partículas es menor al 0,2 %.
SEDIMENTACIÓN LIBRE
SEDIMENTACIÓN RETARDADA
Proceso en la cual las partículas están muy juntas y se sedimentan a velocidad menor (efecto pared y efecto por la elevada concentración de partículas).
Sedimentación retardada
Ecuacion de Maude y Whitmore
Donde:
 vs= velocidad de sedimentacion retardada
 vtg= velocidad de sedimentacion libre
 = fraccion volumetrica de liquido en la
 suspension.
 n = exponente empirico, funcion del Nº de
 Reynolds.
RELACION SOBRE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION DE PARTICULAS Y EL TIEMPO
Luego de un corto tiempo la partícula desarrolla su mayor velocidad máxima o limite, esto debido a la fuerza de flotación y de acuerdo a la fuerza de resistencia que encuentra en su curso. 
FUERZAS QUE ACTUAN EN LAS PARTICULAS
Fuerza de gravedad 
Fuerza de flotación
Fuerza de resistencia o de arrastre
Teoría de la sedimentación de partículas (LEY DE STOKES)
Es aplicable a:
Partículas únicas
Partículas incompresibles, es decir no porosa
Partículas esféricas
Que el fluido para sedimentar sea incompresible
Que no influya las paredes del recipiente en el movimiento
Que se de en un campo gravitacional
Tiempo de sedimentación
FRACCIÓN DE SEDIMENTACIÓN
FRACCIÓN DE SEDIMENTACIÓN
	Tiempo (min)	Suspensión con agua pura (CaCo3+H2O)		Suspensión con humectante (H2O+0,1 % humectante+CaCo3	
	0	30.84	Z=0	30.88	Velocidad de compactación lenta
	4	29.89		27.21	
	8	29.1		21.65	
	12	28.3		15.85	
	16	27.5	Z	14.28	
	27	25.29		12.97	
	37	23.34		12.23	
	52	20.34		11.42	
	72	16.48		10.74	
	102	11.48		9.92	
	117	9.8		9.62	
	151	7.8		9.13	
	∞	6.95	Z= ∞	8.44	
FRACCIÓN DE SEDIMENTACIÓN
Trabajo, realizar la curva de fracción de sedimentación 
TANQUE DE SEDIMENTACIÓN RECTANGULAR
En los tanques de sedimentación rectangulares la distribución del flujo a la entrada del 
 tanque es un factor crítico
	Para la eliminación del fango pueden incorporar sistemas de rascado de fango con rascadores accionados por cadenas o con puentes de traslación 
	El fango es conducido a un canal de fondo transversal
TANQUES DE SEDIMENTACIÓN PRIMARIOS
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TANQUE DE SEDIMENTACIÓN CIRCULAR
	El agua residual se introduce por el centro y pasa a una campana circular que distribuye el flujo uniformemente en todas direcciones
	El diámetro de la campana varía entre el 15 y el 20% del diámetro del tanque, con una profundidad entre 1 y 2,5 m
	Dispone de un puente rascador equipado con rascadores de fondo y también superficiales para la eliminación de espumas
Fig. 11.3. Parámetros típicos de aguas residuales urbanas antes y después de la decantación primaria (Kiely, 1999)
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Fig. 11.4. Decantador primario circular típico (Kiely, 1999)
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VIDEOS TRATAMIENTO DE AGUAS
Agua potable
Agua residual doméstica
Concentración de partículas
Cuando existe diferentes tipos de partículas va haber una interferencia mutua de partículas y por lo tanto existe una sedimentación retardada (la velocidad de sedimentación va a demorar mas tiempo).
1 L 1000 cm3 al 5 % de solidos…….50 cm3
 95 % liquido ……….950 cm3
Fracción liquido = 950/1000
GRADO DE FLOCULACIÓN
Cuando se presentan pequeñas partículas y están suspendidas y que estas tienen una igual carga eléctrica por lo cual se van a rechazar, por lo tanto van a tender a quedarse en suspensión y para ello se van a agregar agentes floculantes para romper o neutralizar las cargas eléctricas y facilitar la formación de flóculos por lo tanto favorecer la sedimentación (silicatos, cal, colas, etc.)
0
=
dt
dv
n
tg
s
v
v
e
=
e