Unidad III Semana N9

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PROCESOS UNITARIOS Y 
PLANTAS DE TRATAMIENTO
Semana 9
PROCESOS UNITARIOS
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Al finalizar la sesión, el estudiante conocerá Diseño de una
PTAP: Diseño de desarenadores, sedimentadores, Filtros
lentos. Desinfección mediante la Aplicación de cloro y /otros
Agenda:
 Principales operaciones unitarias empleadas en Tratamiento de Agua.
 Plantas de Tratamiento de Agua Potable o Plantas Potabilizadoras.
 Clasificación de la Plantas de Filtración rápida por el tipo de tecnología usada.
 Selección de Tecnologías del Tratamiento de Agua.
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2. PRINCIPALES OPERACIONES UNITARIAS EMPLEADAS EN 
EL TRATAMIENTO DEL AGUA
Transferencia de sólidos;
Transferencia de iones;
Transferencia de gases, y
Transferencia molecular o de nutrientes.
Transferencia de Sólidos
 Cribado o cernido
 Sedimentación
 Flotación
 Filtración
Transferencia de Iones
 Coagulación química
 Precipitación química
 Intercambio iónico
 Absorción
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Transferencia de gases
 Aireación
 Desinfección
 Recarbonatación
Transferencia molecular
Otros procesos utilizados
 Estabilización de solutos
 Desalinización
 Fluoruración
3. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA O PLANTAS POTABILIZADORAS
3.1 Tipos de plantas de tratamiento de agua
3.1.1 Plantas de filtración rápida
Planta de filtración rápida completa
Cuadro 3-1. Límites de calidad del agua aceptables para el tratamiento
mediante filtración rápida completa (1)
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Filtración directa
 filtración directa descendente.
 filtración directa ascendente.
 filtración directa ascendente–descendente.
Cuadro 3-2. Límites de calidad del agua para plantas de filtración directa (1)
 3.1.2 Plantas de filtración lenta.
Cuadro 3-4. Límites de calidad del agua para tratamiento
mediante filtración lenta (1)
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4. CLASIFICACIÓN DE LAS PLANTAS DE FILTRACIÓN RÁPIDA POR EL TIPO DE 
TECNOLOGÍA UTILIZADA
 Sistemas de tecnología convencional clásica o antigua.
 Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS.
 Sistemas de tecnología patentada, normalmente importada de los países 
desarrollados.
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4.1 Sistemas convencionales
Convencionales Clásicos
Figura 3-1. Decantador rectangular de Figura 3-2. Decantador de vuelta en U (3)
flujo horizontal (3)
4.2 Sistemas convencionales de alta tasa o de tecnología CEPIS/OPS
Figura 3-6. Floculadores hidráulicos
de flujo vertical (3)
Figura 3-7. Planta de tecnología 
apropiada de 120 L/s (3)
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Las principales ventajas de esta tecnología son las siguientes:
 Es sumamente eficiente
 Es fácil de construir, operar y mantener
 Es muy económica
 Es muy confiable
4.3 Tecnología importada, de patente o plantas paquete
Figura 3-8. Decantador de manto de lodos (3)
Figura 3-9. Galería de tubos de filtros de
patente (3)
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5. SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTO DE AGUA
a) Grado de complejidad
b) La tecnología no opera por sí misma
c) Impacto indirecto en el área
d) Participación local
5.1 Criterios de selección de una solución tecnológica
a) Grado de complejidad
b) Confiabilidad
c) Flexibilidad
d) Tiempo y plazo
e) Disponibilidad de mano de obra
f) Costo
g) Accesibilidad
h) Recursos necesarios
i) Uso de materiales locales
j) Relación con otros proyectos
k ) Organización administrativa
l) Exactitud de las estimaciones
m) Consideraciones políticas
5.2 Selección de procesos de tratamiento considerando las 
condiciones socioeconómicas de la comunidad
5.2.1 Fase predictiva
a) Socioeconómicas
b) Recursos locales
c) Posibles procesos de tratamiento
d) Capacidad del sistema
e) Calidad del agua
f) Preselección de procesos
5.2.2 Fase evaluativa
a) Análisis de costos
b) Selección final de los procesos
5.2.3 Aplicación
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C = K Qn (ecuación general de costos)
c = Costo inicial en miles de dólares americanos
Q = Capacidad de la planta en m3/s
K y n = Constantes que dependen de la solución tecnológica y de los
valores nacionales
Valores de K y n para América Latina (4)
b) Selección final de los procesos
COAGULACIÓN
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1. INTRODUCCIÓN
La coagulación se lleva a cabo generalmente con la adición de sales de
aluminio y hierro. Este proceso es resultado de dos fenómenos:
— El primero, esencialmente químico, consiste en las reacciones del coagulante con el
agua y la formación de especies hidrolizadas con carga positiva. Este proceso depende
de la concentración del coagulante y el pH final de la mezcla.
— El segundo, fundamentalmente físico, consiste en el transporte de especies
hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua.
2. PARTÍCULAS COLOIDALES
En términos generales, los denominados coloides presentan un tamaño intermedio
entre las partículas en solución verdadera y las partículas en suspensión.
La figura ilustra sobre el tamaño aproximado de las partículas y su distribución.
Es necesario hacer notar, sin embargo, que en el caso de los coloides, sus dimensiones 
las define la naturaleza de los mismos.
Distribución de tamaños de las partículas en el agua
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En el tratamiento del agua, es común referirse a los sistemas coloidales como
hidrófobos o suspensores cuando repelen el agua, e hidrófilos o emulsores cuando
presentan afinidad con ella.
2.1 Tipos de coloides de acuerdo con su comportamiento en el agua
2.2 Características de las partículas coloidales y las sustancias húmicas
Las sustancias húmicas están compuestas por moléculas aromáticas de alto peso
molecular que muestran características polianiónicas en soluciones neutras o
alcalinas.
2.3 Características de las arcillas
Las arcillas están principalmente constituidas por partículas minerales: cuarzo,
mica, pirita, calcita, etcétera.
2.4 Propiedades de los coloides
2.4.1 Propiedades cinéticas
a) Movimiento browniano
Las partículas coloidales, dentro de la fase líquida, presentan un movimiento 
constante e irregular, que se ha denominado movimiento browniano.
b) Difusión
Debido al movimiento browniano —es decir, al movimiento constante de las 
moléculas o partículas en el agua—, las partículas coloidales tienden a dispersarse
por todas partes en el sistema hídrico.
c) Presión osmótica
La ósmosis es el flujo espontáneo que se produce cuando un disolvente (agua) 
atraviesa una membrana que la separa de un sistema coloidal (agua + Coloidales).
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2.4.2 Propiedad óptica: Efecto Tyndall-Faraday
El efecto Tyndall-Faraday es un fenómeno por el cual las partículas coloidales provocan 
la dispersión de la luz cuando esta pasa a través de una suspensión coloidal. Esta 
dispersión es directamente proporcional al tamaño de las partículas.
2.4.3 Propiedad de superficie: adsorción
La gran superficie específica da a los coloides una gran capacidad de adsorción y, por 
tanto, no resulta práctico sedimentar las partículas coloidales sin tratamiento químico 
previo.
La electroforesis es un fenómeno que permite demostrar que las partículas coloidales 
tienen carga eléctrica.
2.4.4 Propiedad electrocinética: electroforesis
2.5 Naturaleza de la turbiedad y el color
2.5.1 Turbiedad
2.5.2 Color
Estabilidad e inestabilidad de los coloides
Carga eléctrica de los coloides. Fuerza de estabilización
Carga eléctrica de los coloides. Fuerza de estabilización
a) Grupos presentes en la superficie sólida
Óxido insoluble en la superficie como el Si(OH), el cual puede tornarse
positivo o negativo.
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La doble capa eléctrica
Configuración esquemática de la doble capa eléctrica
Modelo de la doble capa difusa de Stern-Gouy
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Energía potencial de interacción
entre dos coloides
Energía potencial de interacción de las 
partículas coloidales
Alta concentración de iones
monovalentes
Potencial de una partícula coloidal
Baja concentración de iones 
monovalentes
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3. SUSTANCIAS QUÍMICAS EMPLEADAS EN LA COAGULACIÓN
3.1 Coagulantes
3.1.1 Sulfatode Aluminio
Otras especies alumínicas
3.1.2 Cloruro Férrico FeCl3
Se presenta en forma sólida o líquida; esta última es la más utilizada en el
tratamiento del agua.
Puede estar en forma sólida o líquida. La sólida se presenta en placas compactas, 
gránulos de diverso tamaño y polvo.
Su fórmula teórica es Al2(SO4)3 .18 H2O.
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3.1.4 Sulfato Férrico Fe2 (SO4)3
3.1.5 Interacción de los Coagulantes Inorgánicos con el Agua y la Alcalinidad
a) Teoría ácidos-bases de Bronsted-Lowry
b) La alcalinidad
c) Reacciones de los iones de aluminio y hierro en solución acuosa
Reacciones ácidas del Al (III)
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Concentración de especies de
Fe (III) como función del pH
Concentración de especies
de Fe (III) como función del pH
3.2 Modificadores de pH
1. Óxido de Cálcio o cal viva: CaO
2. Hidróxido de Cálcio: Ca (OH)2
3. Carbonato de Sódio: Na2CO3
4. Hidróxido de sodio: NaOH
5. Gas carbónico: CO2
6. Ácido sulfúrico: H2SO4
7. Ácido clorhídrico: HCl
3.3 Ayudantes de Coagulación
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Representación esquemática 
para el modelo de puentes
en la desestabilización de 
coloides mediante polímeros
CINÉTICA O ETAPAS DE LA COAGULACIÓN
Considerando la discusión teórica que antecede, Stumm y O’Melia identificaron
varias etapas en el proceso de coagulación.
1) Hidrólisis de los iones metálicos multivalentes y su consecuente polimerización
hasta llegar a especies hidrolíticas multinucleadas.
2) Adsorción de las especies hidrolíticas en la interfaz de la solución sólida
para lograr la desestabilización del coloide.
3) Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante un puente entre
las partículas que involucra el transporte de estas y las interacciones químicas.
4) Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante el transporte de
las mismas y las fuerzas de Van der Waals.
5) Formación de los flóculos.
6) Precipitación del hidróxido metálico.
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Modelo 
esquemático 
del proceso de 
coagulación
4. MECANISMOS DE COAGULACIÓN PREDOMINANTES
4.1 Coagulación por Adsorción
Cuando se agrega sulfato de
aluminio o sales de fierro al
agua en condiciones
especiales de dosis de
coagulante y pH, se forma una
serie de especies solubles
hidrolizadas.
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6.2 Coagulación por Barrido
Con dosis de alúmina
suficientemente altas, se forma un
precipitado de hidróxido de
aluminio que físicamente arrastra
de la suspensión a las partículas
coloidales, por lo que se denomina
coagulación de barrido.
10. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO
10.1 Influencia de la concentración de coagulante
10.2 Factores de mayor influencia en el desarrollo del proceso
10.2.1 La calidad del agua cruda
Concentraciones de coloides, alcalinidad y pH
a) Alta concentración de coloides y alcalinidad baja
b) Alta concentración de coloides y alcalinidad alta
c) Baja concentración de coloides y alcalinidad alta
d) Baja concentración coloidal y alcalinidad baja
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10.2.2 Temperatura
10.2.3 Variables químicas
• Dosis óptima
pH óptimo
Concentración óptima
MEZCLA RÁPIDA
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Se denomina mezcla rápida a las condiciones de intensidad de agitación y tiempo de
retención que debe reunir la masa de agua en el momento en que se dosifica el
coagulante, con la finalidad de que las reacciones de coagulación se den en las
condiciones óptimas correspondientes al mecanismo de coagulación predominante.
1. INTRODUCCIÓN
2. PARÁMETROS OPERACIONALES
2.1 Gradiente de velocidad
Elemento del fluido sujeto
a agitación
3. FACTORES QUE MODIFICAN EL PROCESO
3.1 Intensidad y tiempo de mezcla
Tiempo de formación del flóculo a diversos gradientes de velocidad (Camp)
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4.2 Sistema de aplicación del coagulante
1) Todos los productos químicos que alteran el pH (cal, soda, ácido, cloro y otros)
2) La dosis de sulfato de aluminio debe añadirse a una tasa constante en la cámara de 
mezcla rápida-
4.3 Tipo de dispositivo de mezcla
Es altamente deseable que ocurran condiciones de flujo de pistón, ya que la existencia
de corrientes de cortocircuito o la detención de masas de agua por un tiempo mayor
que el necesario traerá el inconveniente de que la masa de agua en algunas partes
recibirá mayor cantidad de coagulante.
5. MEZCLADORES
Clasificación de las unidades de mezcla rápida
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8.1 Hidráulicos
Mezcladores evaluados por Vrale y Jordan (5)
Valores de ( γ / μ)^ 0,5
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T
a) Resalto hidráulico
Resalto hidráulico
Canal rectangular con fondo inclinado
o rampa
Canaleta Parshall
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b) En línea
1) Proporciona una buena mezcla instantánea con pocos cortocircuitos.
2) Se reducen los costos al omitir la instalación de una unidad de mezcla rápida
convencional.
a) Difusores
Conceptos básicos
Difusor en tubería
Mezcladores hidráulicos en línea. Difusores
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b) Inyectores
Mezcladores hidráulicos en línea. Inyectores
c) Mezcladores estáticos
Mezclador hidráulico en línea. Estático
8.2 Mecánicos
a) Mezclador en línea mecánico (8)
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Mezclador en línea mecánico
b) Retromezclador
Unidades de mezcla mecánica. Retromezclador
8.3 Ventajas y desventajas de los mezcladores hidráulicos y mecánicos
El gradiente de velocidad en un mezclador mecánico no varía con el caudal y tiene la
ventaja adicional de permitir controlar el grado de agitación si se varía la velocidad de
rotación del impulsor. Sin embargo, su funcionamiento depende de una fuente de
energía externa y, de esta forma, una falla en el sistema de alimentación o en el propio
mecanismo, causaría el colapso del proceso de mezcla rápida, lo que perjudicaría el
tratamiento en su conjunto.
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Diseño de un Tanque Mecánico de Mezcla Rápida
Un tanque agitador convencional se utiliza para la mezcla rápida en una planta de
tratamiento de aguas con un flujo de 100 x 106L/dia. La Temperatura del agua es
de 10°C. Determine el volumen del tanque y los requerimientos de energía.
Valores típicos utilizados en el diseño de sistemas de mezcla rápida y floculación
Categoría del 
Sistema
Gradiente de 
Velocidad de RMS,
G (seg-1)
Tiempo de 
Detención, t
Valores de Gt
Mezcla mecánica 600-1000 10-120 s 5.0 x 104 a 5.0x105
Mezcla en Línea 3000-5000 1 s 1.0 x 103 a 1.0 x 105
Floculador de 
Paleta de eje 
Horizontal
20-50 10 - 30 min 1.0 x 104 a 1.0 x 105
Floculador de 
Turbina de Eje 
Vertical
10-80 10– 30 mim 1.0 x 104 a 1.0 x 105
GRACIAS POR SU ATENCION
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