Unidad III Semana N10

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UNIDAD III
PROCESOS UNITARIOS Y 
PLANTAS DE TRATAMIENTO
Semana 10
Ing. Luis E. Alva Diaz
FLOCULACION
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Al finalizar la sesión, el estudiante conocerá Diseño de una
PTAP Parte 2: Diseño de desarenadores, sedimentadores,
Filtros lentos. Desinfección mediante la Aplicación de cloro y
/otros
 Principales operaciones unitarias empleadas en Tratamiento de Agua. Floculación.
 Factores que influyen en el proceso de floculación.
 Tipos de Floculadores.
 Principales operaciones unitarias empleadas en Tratamiento de Agua. Floculación.
 Conceptos generales
 Clasificación de las Unidades
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El objetivo principal de la floculación es reunir las partículas
desestabilizadas para formar aglomeraciones de mayor peso y tamaño
que sedimenten con mayor eficiencia.
3. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FLOCULACIÓN
Los principales factores que influyen en la eficiencia de este proceso son:
La naturaleza del agua;
Las variaciones de caudal;
La intensidad de agitación;
El tiempo de floculación, y
El número de compartimentos de la unidad.
3.1 Naturaleza del agua:
Estos aspectos teóricos son generalmente confirmados en la práctica: por
regla general, es más fácil flocular aguas con elevada turbiedad y que
presenten una amplia distribución de tamaños de partículas. En tanto, las
partículas de mayor tamaño, que podrían ser removidas en tanques de
sedimentación simple, tales como arena fina acarreada durante picos de
elevada turbiedad, interfieren con la floculación porque inhiben o impiden
el proceso. Por este motivo, si la turbiedad del agua cruda fuera igual o
superior a 1.000 UT, es indispensable la utilización de tanques de
presedimentación. Esta concentración, relativamente alta, explica los
resultados plenamente satisfactorios con bajos valores de (G) = (< 5 s-1) y
tiempos de floculación relativamente cortos (< 15 min). Algunas unidades,
para aumentar su eficiencia, presentan dispositivos para recircular los
lodos.
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3.2 Influencia del tiempo de floculación. Compartimentalización
En todos los modelos propuestos para la floculación, la velocidad de
aglomeración de las partículas es proporcional al tiempo. Bajo
determinadas condiciones, existe un tiempo óptimo para la floculación,
normalmente entre 20 y 40 minutos. Mediante ensayos de prueba de
jarras (jar tests), se puede determinar este tiempo, que, en la figura,
resultó ser de alrededor de 37 minutos.
3.3 Influencia del gradiente de velocidad
Los flóculos crecerán hasta un tamaño máximo, por encima del cual las
fuerzas de cizallamiento alcanzan una intensidad que los rompe en
partículas menores.
La resistencia de los flóculos depende de una serie de factores:
• De su tamaño, forma y compactación;
• del tamaño, forma y naturaleza de las micropartículas; y
• del número y forma de los ligamentos que unen a las partículas.
3.4 Influencia de la variación del caudal
El floculador hidráulico es algo flexible a estas variaciones. Al disminuir el
caudal, aumenta el tiempo de retención y disminuye el gradiente de velocidad.
Al aumentar el caudal, el tiempo de retención disminuye, el gradiente de
velocidad se incrementa y viceversa; el número de Camp (Nc) varía en
aproximadamente 20% cuando la variación del caudal es de 50%.
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4. FLOCULADORES
Se acostumbra clasificar a los floculadores como mecánicos o hidráulicos de acuerdo
con el tipo de energía utilizada para agitar la masa de agua. Puede hacerse una
clasificación más amplia si se tiene en cuenta el modo como se realiza la aglomeración
de las partículas. De acuerdo con este principio, podemos clasificarlos del siguiente
modo:
 Floculadores de Contacto de Sólidos, y
 Floculadores de Potencia o de disipación de energía.
4.1 Floculadores de contacto de sólidos
Los floculadores de contacto de sólidos o de manto de lodos son
controlados por la concentración de sólidos (C). Como esta varía
continuamente, es necesaria una constante atención del operador.
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4.2 Floculadores de potencia
En los floculadores de potencia, las partículas son arrastradas por el
flujo de agua a través del tanque de floculación sin que prácticamente
exista concentración de sólidos.
4.2.1 Hidráulicos
Los floculadores hidráulicos utilizan la energía hidráulica disponible a
través de una pérdida de carga general o específica.
a) De pantallas
Los floculadores hidráulicos más utilizados son los de pantallas, de
flujo horizontal o de flujo vertical.
Floculadores de pantallas
b) Floculador Alabama
El floculador Alabama está constituido por compartimentos ligados
entre sí por la parte inferior a través de curvas de 90° volteadas
hacia arriba.
Floculador Vertical Tipo Alabama
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c) Helicoidal
En el proyecto ilustrado en la figura 6-14,
el agua es admitida tangencial-mente
por la parte superior y sale de la cámara
de floculación a través de una curva
dotada de unas guías paralelas como una
turbina Francis, lo que ayuda a generar el
movimiento helicoidal (26).
Floculador helicoidal
d) De medio poroso
La floculación en medios porosos se
está aplicando principalmente en
pequeñas instalaciones, debido a su
elevada eficiencia y bajo costo.
El floculador de lecho de arena expandido
consiste en una columna a través de la
cual el agua cruda pasa en sentido
ascendente, después de haber recibido
el coagulante. La velocidad del agua es
ajustada de tal modo que la expansión sea
de alrededor de 6 a 10%. Esto evita la
obstruc-ción del medio poroso.
Floculador de medio poroso 
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e) Floculadores de mallas (28)
El uso de telas generalmente ha sido
restringido a la función de filtración
gruesa en la remoción de cuerpos
flotantes o en suspensión de
dimensiones relativamente grandes,
en tomas de agua y en la entrada de
las plantas de tratamiento de aguas
residuales. Con esta finalidad,
generalmente se emplean mallas con
una abertura que varía entre 2 y 20
milímetros, de alambre de acero
galvanizado o acero inoxidable, o de
hilos de nylon.
4.2.2 Mecánicos
a) De paletas
Floculadores mecánicos de paletas
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Ejercicio
Estimación del Numero de Reynolds del floculador de Turbina Vertical
Una turbina vertical de 1.6m de diámetro se usa para mezclar el contenido
de un tanque de floculación de 4m de diámetro. La Turbina rota a una
velocidad de 20rev/min. La viscosidad absoluta del agua es de 1.31x10^(-
3)kg/m.s Determine si existen condiciones turbulentas.
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Ejercicio
Diseño del Floculador de turbina vertical
En una planta de tratamiento de aguas con una tasa de flujo de 75ML/d (20mgd)
y una temperatura de diseño a 10°C, se destina turbinas verticales para el
tanque de floculación. La floculación se debe diseñar con cuatro trenes paralelos,
cada uno de lo cuales debe estar compuesto por cuatro compartimientos en
serie. El tiempo total de retención en floculación debe ser de 20minutos.
Determine las siguientes características de diseño del primer compartimiento de
cada tren de floculación.
1. Dimensiones del comportamiento
2. Diámetro del impulsor (Asuma una turbina con tres aspas arqueadas y control
de inclinación.
3. Se requiere que la potencia del agua alcance un G de 80s^(-1) (La potencia a
la que debe entrar el agua a través del eje del impulsor.
4. Máxima velocidad rotacional.
5. Capacidad de Bombeo del impulsor y el tiempo de circulación en el tanque.
A 10°C, la viscosidad absoluta del agua es de 1.31x10^(-3) Kg/m.s y su densidad
es de 999.7kg/m3. el tiempo de circulación es el volumen de la cámara de
floculación dividido entre la tasa de bombeo del impulsor.
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b) De turbina
Floculador mecánico de turbina
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SEDIMENTACIÓN
1. CONCEPTOS GENERALES
Se entiende por sedimentación la remoción por efecto gravitacional de las
partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener
un peso específico mayor que el fluido.
La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por
sedimentación o filtración. De allí que ambos procesos se consideren como
complementarios.
La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la
filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a
la del agua o que han sido resuspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser
removidas en el proceso anterior.
1.1 Sedimentación de partículas discretas
Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de
características (forma, tamaño, densidad) durante la caída.
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1.2 Sedimentación de partículas floculentas
Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de
partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de
agentes químicos.
A diferencia de las partículas discretas, las características de este tipo de
partículas —forma, tamaño, densidad— sí cambian durante la caída.
1.3 Sedimentación por caída libre e interferida
Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se
depositan sin interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre.
1.4 Expresiones de velocidad de sedimentación
1.4.1 Partículas discretas con caída libre
El fenómeno de sedimentación de partículas discretas por caída libre,
también denominado en soluciones diluidas, puede describirse por medio de
la mecánica clásica.
Determinación de la velocidad de asentamiento de las partículas con la ayuda de las 
Leyes de Stokes y de Newton
Ley Aplicable
Velocidad de 
Asentamiento
(m/s)
Términos
Coeficiente de 
Arrastre
Aplicabilidad
Ley de Stokes Vs=gx(ρp-ρ)xdP2/(18xμ)
g=es la aceleración
debido a la gravedad 
(m/s2), ρp = es la densidad 
de la partícula (Kg/m3), dP
= diámetro de la partícula 
(m) y μ = viscosidad 
dinámica del liquido 
(Nxm/m2) 
CD=24/Re
Aplicable para partículas 
esféricas cuando el numero 
de Reynolds es ≤1 (Flujo 
Laminar) . Tiene
aplicaciones limitada en el 
tratamiento de aguas 
debido a que las 
condiciones en la mayoría 
de las instalaciones de 
tratamiento no son 
laminares
Ley de Newton
Vs=4gx(ρp-
ρ)xdP/(3xCDxρ)
g=es la aceleración
debido a la gravedad 
(m/s2), ρp = es la 
densidad de la partícula 
(Kg/m3), CD = es el 
coeficiente de arrastre.
Para el régimen 
de transición 
Cd=24/Re+3/Re+
0.34
Cd se vuelve la 
constante en el 
régimen 
turbulento 
(Re>1000).
Aplicable para partículas 
cuando el numero de 
Reynolds es >1 (Flujo de 
Transición y Turbulento)
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1.4.2 Sedimentación interferida
Cuando una partícula discreta sedimenta a través de un líquido en caída libre,
el líquido desplazado por la partícula se mueve hacia arriba a través de un
área suficientemente grande sin afectar el movimiento.
1.4.3 Sedimentación de partículas floculentas
Las partículas que se remueven en una planta de tratamiento de agua son
sólidos inorgánicos y orgánicos. Los factores primordiales que influyen en la
velocidad de sedimentación son su tamaño, forma y densidad.
Índices de Willcomb para determinar el tamaño del flóculo
Equipos de jarras
Sedimentación de partículas floculentas con caída libre. Si en una suspensión
tenemos una concentración (1-C) de partículas que tienen una velocidad
de sedimentación VS, la proporción adicional de partículas removidas que
tiene una velocidad de sedimentación VS será:
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Columnas de sedimentación Curva de variación de
eficiencia en función de la velocidad
de sedimentación
Sedimentación de partículas floculentas con caída interferida. En bajas
concentraciones de partículas, estas sedimentan o decantan libremente; en
cambio, con alta concentración de partículas floculentas (superiores a 500
mg/L), las partículas se encuentran a distancias tan reducidas que se adhieren
entre sí y sedimentan masivamente.
Decantación por caída interferida
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1.5 Factores que influyen en el proceso
1.5.1 Calidad de agua
1.5.2 Condiciones hidráulicas
1.5.3 Factores externos
2. CLASIFICACIÓN DE UNIDADES
• Sedimentadores o decantadores estáticos
• Decantadores dinámicos
• Decantadores laminares.
2.1 Sedimentadores y decantadores estáticos
2.1.2 Componentes de una unidad
Una unidad de sedimentación consta de las siguientes zonas, con diferentes
funciones específicas:
• Zona de entrada y distribución de agua
• Zona de sedimentación propiamente dicha
• Zona de salida o recolección de agua
• Zona de depósito de lodos.
2.1.1 Criterios generales
En este tipo de unidades puede producirse sedimentación o decantación,
normalmente con caída libre, en régimen laminar turbulento o de transición.
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2.1.3 Tipos de unidades
Unidades de flujo horizontal. Estos sedimentadores se clasifican, de acuerdo
con la forma de su planta, en rectangulares, circulares y cuadrados.
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Sedimentadores o
decantadores estáticos
circulares (1)
Unidades de flujo vertical. Estas unidades tienen forma cilíndrica . La entrada
del agua cruda se realiza por el centro de la unidad en forma descendente.
Sedimentador 
estático de flujo 
vertical
Unidades de flujo helicoidal. Para tratar aguas con alto contenido de
materiales en suspensión o flóculos con alta velocidad de sedimentación, se
recurre al uso de sedimentadores de flujo helicoidal.
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2.2 Decantadores dinámicos
2.2.1 Criterios generales
La teoría de la decantación interferida se aplica a este tipo de unidades. Se
requiere una alta concentración de partículas para incrementar las
posibilidades de contacto en un manto de lodos que tiene una concentración
de partículas de 10 a 20% en volumen.
2.2.2 Componentes de una unidad
1) Sistema de entrada
de agua
2) Zona de formación
del manto de lodos
3) Zona de clarificación
4) Sistema de recolección
de agua clarificada
5) Zona de concentración
de lodos.
2.2.3 Tipos de unidades dinámicas
Unidades de manto de lodos con suspensión hidráulica.
Estas unidades fueron las primeras que se construyeron.
Consisten esencialmente en un tanque de fondo cónico o tronco piramidal, en
cuya parte inferior se inyecta el agua cruda que asciende disminuyendo la
velocidad a medida que el área aumenta y manteniendo así un manto de lodos
hidráulicamente suspendido.
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Unidades de manto de lodos con suspensión mecánica. Las unidades que
usan sistemas mecánicos para mantener el manto de lodos en suspensión
pueden ser, en general, de tres clases:
a) De agitación
b) De separación
c) Pulsante o de vacío.
Unidad de manto de lodos con agitación simple (1)
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Unidades de separación 
dinámica Accelator-Infilco, 
Inc. (1)
Unidades de separación
dinámica
Decantador de Brno
(Checoslovaquia) (1)
• Unidad de manto de lodos pulsante o de vacío
Este tipo de unidades consiste esencialmente en un tanque cuadrado o circular, en
cuyo centro se coloca una campana o cápsula de vacío, en la cual periódicamente se
disminuye la presión interna con una bomba especial, de modo que el agua ascienda
por la campana hasta un cierto nivel y luego se descargue en el tanque y se produzca
la expansión de los lodos y se bote el exceso de estos a los concentradores. Esta
periódica expansión y contracción del manto se usa para homogeneizarlo. Se evitan
las grietas o canales que permiten el paso directo de la turbiedad y la sedimentación
de las partículas más pesadas en el fondo de la unidad.
Decantadores de manto de lodos del tipo pulsante (1)
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2.3 Decantadores laminares
2.3.1 Teoría de la sedimentación laminar
Como se analizó anteriormente, la eficiencia de los decantadores clásicos de
flujo horizontal depende, principalmente, del área. De este modo, si se
introduce un piso intermedio a una altura (h) a partir de la superficie, las
partículas con una velocidad de sedimentación VSb < VSC serían removidas,
como lo demuestra la figura 7-28, cosa que antes no ocurría.
Efecto de introducción de superficies intermedias de
sedimentación en los decantadores
convencionales (1)
Diseño de un Tanque de Sedimentación
Diseñe los tanques de sedimentación rectangulares y de flujo horizontal para una planta
de Tratamiento de Aguas que deben tratar un flujo de 200ML/d (52.8mgd). El agua se
coagula con alumbre y la experiencia con plantas similares en el mismo rio sugiere que
deben tener una tasa de sobre flujo de 1.5m/h. La temperatura mínima del agua es de
10°C. Su diseño debe ser adecuado para el equipo de remoción de lodos de cadena y
placas. También incluir en numero de tanques, longitud, ancho y profundidad de cada
uno y el numero de pantallas dentro de cada tanque, si es que son necesarias. Verifique
que su diseño cumpla los criterios de la tabla 6-2 respecto a la profundidad, la razón
longitud –ancho, el tiempo de retención y el numero de Reynolds (Si el tiempo de tención
es menor a 2h).
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1. Determine el número de tanques. Dos tanques satisfacen el requerimiento mínimo para
Fines de mantenimiento. Sin embargo, esta es una planta muy grande, por lo que deben
Construir cuatro tanques.
2. Determinando el tamaño de cada uno de ellos.
a) Determinar el área del tanque utilizado la siguiente ecuación.
b) Seleccione el ancho del tanque, el cual debe ser regido por el tamaño estándar
del equipo removedor de lodos. El ancho máximo estándar del colector de lo lodos
de tracción y placas es de 6m, por lo que se pueden considerar anchos de 6m.
c) Determinando la longitud con base a los lineamientos de diseño que se mencionan 
en la Tabla 6.2 sobre las relaciones longitud-ancho. Revise las relaciones longitud-ancho
para anchos de 12 a 18m: 
Cualquier combinación de longitud y ancho funcionará, pero el ancho de 18m tiene
Una relación largo-ancho que es solo ligeramente mayor que la mínima permitida. Por
Lo tanto, se debe elegir el ancho de 12m y una longitud de 116m (tengamos en cuenta
Seria necesario verificar que el fabricante pueda producir equipo de esa longitud)
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d) Elegir la profundidad del agua. El tiempo de retención hidraúlica aumenta
a medida que lo hace la profundidad del agua, así que elegir un tanque mas
profundo generará un tiempo de retención hidraúlica mas conservador. Elegir 
una profundidad de 4.5m y verifique el tiempo de retención hidraúlico:
3. Verificaremos los diferentes parámetros de diseño que se presentaron en la Tabla 6.2
Una revisión de todos los criterios de diseño desarrollados indica que el número de 
tanques, tasa de sobreflujo, tiempo de retención hidraúlico, profundidad del agua y 
relación longitud-ancho están dentro del rango aceptable. Dado que el diseño del 
tanque es relativamente conservador con respecto a la razón de sobreflujo, la razón
longitud-ancho y el tiempo de retención hidraúlica, no es estrictamente necesario 
vereificar los numero de Reynolds y de Froude, pero se verifica abajo utilizando las
siguientes ecuaciones. 
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El numero de Reynolds (14022) es menor que el valor máximo recomendable (20000)
Para construir un tanque de sedimentación horizontal.
El numero de Froude es menor que el valor recomendado para los tanques de sedi-
mentación, pero debido al diseño es conservador, la pared del tanque no se modi-
ficará para cumplir este criterio.
GRACIAS POR SU ATENCION