Capitulo5

81
CAPITULO 5
ANÁLISIS Y DISEÑO DEL TRATAMIENTO PRIMARIO
5.1 Introducción
Las operaciones físicas o tratamiento primario se emplean para la separación de sólidos de
gran tamaño, sólidos suspendidos y flotantes, grasas, y compuestos orgánicos voltaicos. Las
operaciones y procesos unitarios que se analizaran a detalle serán: rejas, desarenadores y
sedimentación primaria.
Tabla 5.1 Factores por considerar en la selección y evaluación de las
operaciones y procesos unitarios (Metcalf & Eddy, 1996)
FACTOR COMENTARIO
Potencial de aplicación del proceso Se evalúa en base a la experiencia anterior, datos de plantas
a escala industrial y datos de planta piloto
Intervalo del caudal aplicable El proceso debe corresponder con el caudal esperado
Variación del caudal aplicable La mayoría de los procesos trabajan a caudal constante
Características del agua a tratar Afectan los tipos de procesos (químicos o biológicos)
Limitaciones climáticas La temperatura afecta velocidades de reacción
Cinética de reacción y selección del reactor El dimensionamiento se basa en la cinética de reacción que
gobierna al proceso
Eficacia La eficacia se suele medir en función del efluente
Residuos del tratamiento Es necesario conocer o estimar la cantidad de residuos
sólidos, líquidos y gaseosos producidos
Tratamiento del fango Posibles limitaciones económicas en el tratamiento
Limitaciones ambientales Presencia de vientos, ruidos, malos olores etc.
Necesidades químicas Costo de productos químicos
Necesidades energéticas Costo de energía
Necesidades de otros recursos Que recursos adicionales son necesarios
Necesidades personales ¿Cuantos empleados, que nivel de preparación?
Necesidades de explotación y mantenimiento Capacidad de mantener en operación la planta y en buen
estado
Procesos auxiliares ¿Que procesos son necesarios?
Complejidad ¿Que tan compleja es la explotación del proceso?
Compatibilidad Se debe buscar que las operaciones en conjunción sean
compatibles
Disponibilidad de espacio ¿Se cuenta con el espacio suficiente?

82
5.2 Rejillas
El primer paso en el tratamiento del agua residual consiste en la separación de los sólidos
gruesos. El procedimiento más habitual se basa en hacer pasar el agua residual bruta a través
de rejas de barras. Las rejas de barras suelen tener aberturas libres entre barras de 15 mm o
mayores. Las rejas de barras se pueden limpiar manual o mecánicamente. Las características
de ambos tipos se comparan en la Tabla 5.2.
Tabla 5.2 Información típica para el proyecto de rejas de barras de
limpieza manual y mecánica (Metcalf & Eddy, 1996)
CARACTERÍSTICAS LIMPIEZA
MANUAL
LIMPIEZA MECÁNICA
Tamaño de la barra:
Anchura, mm
Profundidad, mm
5 - 15
25 - 37.5
5 -15
25 – 37.5
Separación entre barras, mm 25 – 50 15 – 75
Pendiente en relación a la vertical, grados 25 – 50 50 – 82.5
Velocidad de aproximación, m/s 150 150
Pérdida de carga admisible, mm 150 150
5.2.1 Características de los residuos
Los materiales retenidos en las rejas se conocen con el nombre de residuos o basuras. Cuanto
menos es la abertura libre del tamiz, mayor será la cantidad de residuos eliminada. A pesar de
que no existe ninguna definición que permita identificar los materiales separables mediante
rejas, y de que no existe ningún método reconocido para la medición de la cantidad de
residuos eliminada, éstos presentan ciertas propiedades comunes. Los residuos de tamaño
grande que son retenidos en rejas con separaciones de 15 mm o superiores, consisten en
desechos tales como piedras, ramas, trozos de chatarra, papel, raíces de árboles, plásticos y

83
trapos. También se puede separar materia orgánica. El contenido de trapos puede ser
importante, y se ha estimado visualmente que representa entre el 60 y 70 % del volumen total
de residuos en rejas de 25 a 100 mm de separación entre barras respectivamente. Los residuos
de tamaño grueso tienen un contenido en materia volátil muy alto (del 80 al 90 % o más), con
un contenido de materia seca del 15 al 25 % y una densidad entre 640 y 960 kg/m3
.
En este proyecto se usarán rejas de limpieza mecánica ya que no solo reduce de manera
considerable el trabajo manual necesario para la limpieza de las rejas, y la eliminación de
basuras, sino también para evitar los reboses y desbordamientos que se producen por la
obturación de aquellas. A continuación, se analizaran los detalles de las rejas de limpieza
mecánica.
5.2.2 Rejas de limpieza mecánica
Las rejas de limpieza mecánica se han venido empleando en las plantas de tratamiento de
aguas residuales desde hace más de 50 años. Las rejas de limpieza mecánica se dividen en
cuatro tipologías principales: las rejas de funcionamiento mediante cadenas, rejas de
movimiento oscilatorio, catenarias y rejas accionadas mediante cables.
En general, las rejas de limpieza mecánica que emplean cadenas se suelen emplear en redes de
alcantarillado de tipo separativo ya que son más modernas y eficientes en la retención de
sólidos (Figura 5.1).

84
En las rejas de barras de limpieza mediante movimientos oscilatorios (Figura 5.2), el rastrillo
se desplaza hasta la parte inferior de la reja, se coloca entre las barras, y asciende arrastrando
las basuras hasta la parte superior de aquella, lugar donde son extraídas
Figura 5.1 Rejas de limpieza mecánica que emplea cadenas. (Metcalf and Eddy,1996)
Figura 5.2 Rejas de barras de limpieza mediante movimientos
oscilatorios. (Metcalf and Eddy,1996)

85
La principal ventaja de este método es que todos los componentes que precisan actuaciones de
mantenimiento se encuentran por encima del nivel del agua, por lo tanto su inspección y
mantenimiento no hace necesario el vaciado del canal. Su inconveniente es que dispone
únicamente de un rastrillo de limpieza en lugar de los múltiples rastrillos empleados en las
rejas de limpieza mediante cadenas, por lo tanto la capacidad de la reja para tratar aguas con
altos contenidos de residuos es limitada.
En las rejas de catenaria de limpieza y retorno frontales (Figura 5.3), el rastrillo se mantiene en
contacto con la reja gracias al peso de la cadena.
Figura 5.3 Rejas de catenaria de limpieza y retorno frontales.
(Metcalf and Eddy,1996)
Una ventaja consiste en que el mecanismo de transmisión no tiene ruedas dentadas
sumergidas, mientras que el espacio necesario para su instalación es muy grande, lo cual
representa su mas grande inconveniente.

86
Las rejas de limpieza mecánica mediante cables (Figura 5.4), son de limpieza y retorno
frontales que emplean un rastrillo pivotante que asciende y desciende por unas guías
accionado por un dispositivo formado por un cable y un tambor.
Figura 5.4 Rejas de limpieza mecánica mediante cables.
(Metcalf and Eddy,1996)
Su principal ventaja es el hecho de que el rastrillo es el único elemento mecánico que se
sumerge, y sus desventajas principales incluyen la limitada capacidad de rastrillado y los
problemas de mantenimiento asociados al destensado de los cables, a su enrollamiento en los
tambores, y a fallos en el funcionamiento de los mecanismos de frenado.

87
5.2.3 Consideraciones para el diseño de las rejillas
La información básica para el diseño convencional de rejillas de limpieza manual o mecánica
se presenta en la Tabla 5.2. El análisis asociado con el uso de equipos para el tamizado grueso
contempla la determinación de las pérdidas de carga producidas por el paso del agua a través
de estas unidades. Las pérdidas hidráulicas a través de rejillas son una función de la velocidad
de aproximación del fluido y de la velocidad del flujo a través de los barrotes. Las pérdidas de
carga a través de una rejilla se pueden estimar por medio de la siguiente ecuación.





 −
=
g
vV
hl
*27.0
1 22
(5.1)
donde: hl= pérdida de carga, pies (m).
k = 1/0.7 = coeficiente empírico que incluye pérdidas por turbulencia y
formación de remolinos.
V = Velocidad de flujo a través del espacio entre las barras de la reja, pies/seg.
(m/s).
v = Velocidad de aproximación del fluido hacia la reja, (m/s)
g = aceleración de la gravedad, (m/s2
)
Las pérdidas de carga calculadas con ayuda de esta ecuación solo pueden ser aplicadas en caso
de que las rejillas estén limpias, ya que las pérdidas de carga aumentan en la medida en que las
rejas se van saturando con los residuos retenidos. Las pérdidas de carga en el diseño de rejas se
pueden estimar suponiendo que parte del espacio disponible para el flujo del agua a tratar se

88
encuentra obstruido. Cuando se realiza la limpieza mecánica de las rejillas, el mecanismo de
limpieza actúa a medida que las pérdidas van aumentando. En algunos casos, la rejilla se
limpia a intervalos de tiempo determinados, dependiendo del comportamiento en el aumento
de las pérdidas de carga.
5.2.4 Dimensionamiento
Para el dimensionamiento de las rejillas de limpieza mecánica es necesario diseñar el canal por
el cual será conducida el agua hacia el proceso de tratamiento, para posteriormente compararlo
con parámetros de velocidad y abertura de barras sugeridos. Los cuales se muestran en la
Tabla 5.3.
Rejillas de limpieza mecánica
Características Rango Comentarios
Aberturas 6-38 mm La abertura ideal es de 18
mm para evitar daños en las
instalaciones aguas abajo.
Velocidad de aproximación 0.6-1.2 m/s
Velocidad Mínima 0.3-0.6 m/s Necesario para evitar
acumulación de arenas en el
lecho del canal
Tabla 5.3 Rejillas de limpieza mecánica (WEF,1992)
Para el cálculo de las dimensiones del canal, es necesario definir los datos de partida y las
características propias del diseño tales como:
• Tipo de sección → rectangular
• Dimensiones propuestas → base de la sección = 0.3 metros

89
• Gasto → gasto final de diseño = 19082.75 m3
/día = .1908275 m3
/seg
• Pendiente → So = 0.005
• Coeficiente de rugosidad de Manning → n = 0.014
De la ecuación de Manning:
3/2
2/1
ARh
S
Qn
= (5.2)
donde:
Q = Gasto m3
/seg.
S = Pendiente del canal (adimensional)
A = Area del canal m2
Rh. = Radio hidráulico m
Sección del canal:
Área:
bhA = (5.3)
Radio hidráulico:
)(2 hb
bh
Rh
+
= (5.4)
b
h

90
Sustituyendo en la ecuación de Manning:
( )
2/1
3/2
3
005.*
3.02
3.0
014.
3.0
/220865. 





=
mh
mhmh
sm (5.5)
Despejando h obtenemos:
mh 6.0=
Por lo tanto
mmA 66.03.0 ×= (5.6)
2
198.0 mA =
Una vez obtenida la sección de nuestro canal podemos determinar la velocidad del flujo
A
Q
V = (5.7)
2
3
198.0
/220865.0
m
sm
V =
segmV /11.1=
Como se puede observar los valores obtenidos se encuentran dentro de los rangos propuestos.
Para determinar las dimensiones propias de las rejillas, se hará referencia a la Tabla 5.4, la
cual propone un rango para las principales dimensiones de todo el sistema.
Tabla 5.4 Rangos permisibles en dimensiones (WEF,1992).
Rango permisible en dimensiones
A= 2.43 a 7.62 m C=.609 a 4.87 m E= 0.9 a 1.5
B= .3 m a 3 m D= 4.76 a 19.05 mm F= 60 a 80 º

91
Tabla 5.5 Sección definitiva de las rejillas.
SECCIÓN DEFINITIVA
Sección Dimensión
A 3.5 m
B 0.3 m
C 0.66 m
D 18 mm
E 1.2 m
F 70 º
5.3 Desarenadores
El término arena se emplea para referirse a las arenas propiamente dichas, a las gravas, cenizas
y cualquier otro material pesado cuya velocidad de sedimentación o peso específico sea
considerablemente mayor al de los sólidos orgánicos susceptibles a la descomposición
presentes en el agua residual. Las arenas se remueven de las aguas residuales para:
• Proteger los equipos mecánicos de la abrasión y del excesivo desgaste
• Reducir la formación de depósitos de sólidos pesados en unidades y conductos aguas
abajo.
• Reducir la frecuencia de limpieza de los digestores por causa de acumulación excesiva
de arenas.
A continuación se hablará de las diferentes unidades empleadas para la remoción de arenas,
aspectos relacionados con las arenas removidas como características, cantidades y mecanismos
de disposición.

92
Normalmente, los desarenadores se ubican después de las unidades que remueven sólidos
gruesos (tamizado) y antes de tanques de sedimentación primaria, aunque en algunas plantas
de tratamiento los desarenadores anteceden las unidades de tamizado. Por lo general, la
instalación de unidades de tamizado fino antes del desarenador facilita la operación y
mantenimiento de las instalaciones destinadas a la remoción de arenas. Tres clases de
desarenadores son los más usados: de flujo horizontal para canales de sección rectangular o
cuadrada; aireados, y de vórtice.
5.3.1 Desarenadores rectangulares de flujo horizontal
En los desarenadotes de flujo horizontal, el agua a tratar pasa a través de la cámara en
dirección horizontal y la velocidad lineal del flujo se controla con las dimensiones del canal,
ubicando compuertas especiales a la entrada para lograr una mejor distribución del flujo, o
utilizando vertederos de salida con secciones especiales.
5.3.2 Desarenadores cuadrados de flujo horizontal
Los desarenadores rectangulares o cuadrados de flujo horizontal (Figura 5.5) se han usado
desde la década de 1930. El caudal afluente a la unidad se distribuye uniformemente por toda
la sección transversal del tanque mediante una serie de compuertas o deflectores y fluye a
través del mismo hasta rebosar por un vertedero de descarga libre. En los este tipo de
sedimentadores, los sólidos que sedimentan se transportan por medio de barredores mecánicos

93
de rotación hasta un pozo ubicado a un lado del tanque. Estos sólidos se extraen del tanque con
ayuda de mecanismos inclinados como rastrillos reciprocantes o tornillos sin fin, o extraídos
por un ciclón desarenador para separar el material orgánico presente y así concentrar las
arenas. El material orgánico se retorna al tratamiento, mientras que las arenas concentradas se
someten a una etapa de lavado.
Los desarenadores cuadrados de flujo horizontal se diseñan con base en la carga superficial,
que depende del tamaño de partícula y de la temperatura del agua residual.
Figura 5.5 Desarenador cuadrado (Horan, 2003)

94
5.3.3 Desarenadores aireados
Las arenas se remueven en un desarenador aireado por causa del movimiento en espiral que
realiza el agua residual, como puede observarse en la Figura 5.6. Debido a su masa, las
partículas de arena se aceleran y abandonan las líneas de flujo hasta que en últimas alcanzan el
fondo del tanque, ya que el flujo en espiral es un campo con aceleración variable inducido por
el aire inyectado. Dos factores principales contribuyen a la popularidad de los desarenadores
aireados, en comparación con los de flujo horizontal: 1) mínimo desgaste de los equipos y 2)
no se requiere una unidad independiente para lavado de arenas. En áreas donde las aguas
residuales industriales son descargadas en la red de alcantarillado, se debe considerar la
liberación potencial COV en los desarenadores aireados.
Figura 5.6 Modelo de flujo helicoidal en un desarenador
aireado. (Horan, 2003)

95
Los desarenadores aireados se diseñan para remover partículas de tamaño malla 70 (0.2 1 mm)
o superior, con tiempos de retención de 2 a 5 minutos bajo condiciones de caudal pico horario.
La velocidad de giro o agitación determina las partículas removidas de acuerdo con su
gravedad específica. Si la velocidad es excesiva, las partículas de arena serán arrastradas fuera
del desarenador; por otra parte, a velocidades bajas se promueve la remoción de material
orgánico particulado. Con un ajuste apropiado de las condiciones de operación es posible
obtener 100% de remoción para un tamaño de partícula determinado y conseguir arena muy
limpia. La sección transversal se diseña para crear un flujo en espiral, por eso incluye un canal
colector de arenas de unos 0.9 m de profundidad, con paredes laterales muy inclinadas,
ubicado a lo largo del fondo del tanque justo debajo de los difusores de aire. Los difusores se
ubican entre 1.5 y 2 pies (0.45 a 0.6 m) por encima del fondo del tanque. Para mejorar la
eficiencia en la remoción de arenas se ubican deflectores tanto a la entrada como a la salida y
así ejercer un control hidráulico sobre el elemento.
5.3.4 Desarenadores de vórtice
Los desarenadores de vórtice consisten en un tanque cilíndrico al cual ingresa el agua a tratar
en forma tangencial (Figura 5.7), creando un vórtice dentro del cilindro. Existen dos clases de
desarenadores de vórtice. En el primero de éstos, el diseño permite que tanto la salida como la
entrada del agua sea en forma tangencial. La turbina giratoria se emplea para producir una
trayectoria toroidal de las partículas, logrando así que las arenas sedimenten en el fondo del
pozo, de donde se extraen con una bomba de arenas o del tipo air lift. Las arenas extraídas de
la unidad se pueden procesar posteriormente para remover material orgánico presente.

96
En el segundo tipo de desarenadores se genera un vórtice libre por acción del flujo tangencial
de entrada. El efluente sale por el centro de la parte superior de la unidad desde un cilindro
rotatorio, llamado también “ojo” del fluido. Las fuerzas centrífuga y gravitacional, presentes
dentro de este cilindro rotatorio, limitan la liberación de las partículas con densidad superior a
la del agua. Las partículas de arenas se sedimentan por gravedad en la parte inferior de la
unidad, mientras que las partículas orgánicas y demás partículas separadas de las arenas por
acción de las fuerzas centrífugas, abandonan el desarenador con el efluente. Si se instalan más
de dos unidades se deben proveer arreglos especiales para la división de caudal.
Figura 5.7 Desarenador de vórtice (Horan, 2003)

97
5.3.5 Arenas: características, cantidades y disposición
Además de los materiales ya mencionados, las arenas pueden contener cáscaras de huevo,
pedazos de huesos, semillas, granos de café y partículas orgánicas de gran tamaño tales como
los residuos de comidas. A continuación se consideran las características y cantidades de arena
que pueden ser removidas de aguas residuales municipales.
5.3.5.1 Características de las arenas
En general la mayor parte de material removido como arena es en esencia inerte y
relativamente seco. Sin embargo, la composición de las arenas es muy variable, con
contenidos de unidad que varían entre 13% y 65%, y contenido de material volátil entre 1% y
56%. La gravedad específica de las partículas de arena limpia alcanza valores de 2.7 si está
compuesta principalmente por material inerte, pero puede tener valores tan bajos como 1.3 si
se encuentra abundante materia orgánica aglomerada con el material inerte. Es común usar
como densidad global de las arenas el valor de 100 lb/pie (1600 kg/m La mayoría de los
problemas que se originan por causa de las arenas son atribuidos a tamaños de partículas
iguales o superiores a 0.2 mm. La distribución real del tamaño de partícula para las arenas que
son removidas varía ampliamente, debido a las diferentes características de los sistemas de
recolección de agua residual, y a variaciones en la eficiencia de remoción de arenas. En
general, la mayor parte de las partículas de arenas se retienen sobre un tamiz de malla 100
(0.15 mm), alcanzando incluso 100% de remoción en algunos casos.

98
5.3.5.2 Cantidades de arena
La cantidad de arena varía ampliamente de una localidad a otra, dependiendo del tipo de
sistema de recolección, las características del área de drenaje, el estado de la red de
alcantarillado, las clases de vertimiento industriales, el número de trituradores domésticos de
basura y el contenido de arena en el suelo de la región. La cantidad de arena puede variar de
0.5 a más de 30 pie (0.0037 a 0.22 m m En vista de los serios problemas relacionados con las
arenas, se deben realizar estudios especiales orientados a definir la cantidad de arena esperada
en los sistemas de tratamiento.
5.3.5.3 Separación y lavado de arenas
La arena sin lavar puede contener 50% o más de materia orgánica; una inapropiada disposición
de este material ocasionaría la poliferación de insectos y roedores. Tanto en clima caliente
como frío, si la arena no lavada no es dispuesta con prontitud, su descomposición será rápida,
liberando malos olores y atrayendo insectos, principalmente moscas, como consecuencia de la
formación de ácidos orgánicos volátiles.
5.3.5.4 Disposición de arenas
La forma más común de disponer arenas provenientes de pequeñas plantas de tratamiento es el
relleno sanitario. En algunos estados de los Estados Unidos las arenas y los residuos del
tamizado deben ser estabilizados con cal antes de su disposición en rellenos sanitarios.

99
5.3.6 Selección y criterios para el dimensionamiento
Una vez introducidos en las bases del proceso que implica la remoción de arenas, su puede
proceder a la selección del tipo de desarenador a las bases para su dimensionamiento y sobre
todo al dimensionamiento del mismo. Para seleccionar el tipo de desarenador que se utilizará,
se utilizará la Tabla 5.6 donde se muestran las ventajas y desventajas de los distintos tipos de
desarenadores.
Analizando la Tabla 5.6 se observa que los desarenadores de vórtice implican un costo
elevado, principalmente por la adquisición del equipo, además de que la supervisión del
mismo es muy exigente para poder mantenerlo en condiciones óptimas de funcionamiento,
aunque cabe destacar la eficiencia de remoción. En cuanto al espacio reducido, no representa
gran ventaja puesto que bajo las condiciones sobre las que trabajaremos el espacio no debiera
ser problema. El desarenador de flujo horizontal representa una desventaja considerable en
cuanto al flujo, puesto que regular la velocidad de entrada implicaría realizar un diseño mas
elaborado que de todos modos no daría un control total del mismo. El desarenador aireado
representa un costo mayor debido al sistema de aireación, aunque nos permite tener un control
eficiente del flujo y por lo tanto de la remoción de partículas, por otro lado las variaciones en
el flujo no representan mayor problema y pueden ser absorbidas sin necesidad de variar la
eficiencia en la remoción. El mantenimiento debe ser constante y puede complicarse debido al
sistema de aireación.

100
Tabla 5.6 Ventajas y desventajas de los distintos
tipos de desarenarenadores (WEF, 1992)
Tipo de Desarenador Ventajas Desventajas
Desarenador aireado Misma eficiencia para una variación
amplia en el flujo
Pérdidas de cargas mínima al pasar por
el desarenador
Controlar la tasa de aireación permite
remover una baja cantidad de materia
orgánica putrefacta
Puede ser utilizado para mezcla
química, preaereación y floculación
después del tratamiento primario
Es sencillo controlar la tasa de aireación
una ves que se haya instalado el
sistema.
Puede generar malos olores
Se requiere mantenimiento en el
sistema de aireación
Consumo de energía elevado
Desarenadores de Vórtice Efectivo con variaciones de flujo
No hay equipos sumergidos que
necesiten mantenimiento
Espacio reducido
Remoción de un alto porcentaje de
partículas finas
Diseño patentado
Costos de adquisición del equipo
Las paletas pueden recoger trapos y
basura que destruyan el mecanismo de
funcionamiento
Se puede saturar el colector de arena e
impedir el correcto funcionamiento
Necesita limpieza y supervisión
continua.
Desarenadores de Flujo Horizontal. No necesita un diseño complejo que
dificulte su construcción.
Con un control adecuado del flujo, no
se necesita hacer una clasificación
posterior de los residuos.
Es difícil mantener la velocidad del
flujo óptima
Si no se controla el flujo, el tanque
remueve grandes cantidades de materia
orgánica, requiriendo lavar los residuos
y clasificarlos.
Como se puede observar los distintos tipos de desarenadores, antes mencionados, presentan
ventajas atractivas, por desgracia ninguno presenta un 100% de efectividad al menor costo, por
lo cual observando las ventajas del desarenador aireado y comparándolas con las demás, para
este proyecto se utilizara esta opción, principalmente por la ventaja que te da el tener control
sobre el proceso mediante el sistema de aireación.

101
5.3.7 Dimensionamiento
El dimensionamiento del desarenador consistirá en determinar las dimensiones del tanque, es
decir, el alto, largo y ancho del mismo, así como también el suministro de aire necesario para
que el proceso se lleve a cabo adecuadamente. Una vez hecho esto, se podrán estimar las
cantidades de arena que serán extraídas del desarenador, basándonos en los datos usuales para
el diseño de desarenadores aireados, que se presentan en la Tabla 5.7.
Tabla 5.7 Información usual para el diseño de desarenadores aireados (WEF, 1992)
VALOR
Característica Unidad Intervalo Valor usual
Tiempos de retención para caudal pico min 2 – 5 3
Dimensiones:
Profundidad m 2 – 5 3
Longitud m 7.5 - 20 12
Ancho m 2.5 - 7 3.5
Relación Ancho-Profundidad Razón 1:1 a 5:1 1.5:1
Relación Largo-Ancho Razón 3:1 a 5:1 4:1
Suministro de aire por unidad de longitud m3
/m*min 0.18 – 0.45 0.3
Caudal pico de diseño:
pFQPC 0.. = (5.8)
donde:
C.P = Caudal Pico

102
Qo = Gasto de entrada = 0.220865m3
/seg
Fp = Factor Pico = 2.17
Sustituyendo:
17.2/220865... 3
×= segmPC (5.9)
segmPC /48... 3
=
Una vez obtenido el caudal pico, se podrá pasar al cálculo del volumen del tanque, asumiendo
un tiempo de retención dentro del rango propuesto en la Tabla 5.7, que permita ajustar las
dimensiones de largo, ancho y profundidad.
TrPCV ×= . (5.10)
donde:
V = Volumen
C.P. = Caudal Pico = .48m3
/seg
Tr = Tiempo de retención = 3 min = 180 seg
Sustituyendo:
segsegmV 120/48. 3
×= (5.11)
3
6.57 mV =
Con el volumen ya calculado, se podrá proceder al cálculo de las dimensiones propias del
tanque, utilizando los rangos permitidos para la razón ancho profundidad y largo ancho, de la
Tabla 5.7.

103
Relación ancho-profundidad = 1.25:1
Relación largo-ancho = 4.6:1
Ancho:
RAPhb = (5.12)
donde:
b = Ancho del tanque.
RAP = Relación ancho – profundidad = 1.25:1
h = Profundidad del tanque = 2 m
Sustituyendo:
mb 225.1 ×=
(5.13)
mb 5.2=
Longitud:
( )bh
V
L = (5.14)
donde:
L = Longitud.
V = Volumen= 57.6 m3
b = Ancho del tanque = 2.5 m
h = Profundidad del tanque = 2 m

104
Sustituyendo:
)25.2(
6.57 3
mm
m
L
×
= (5.15)
mL 5.11=
Verificar relación longitud-ancho:
b
L
(5.16)
6.4
5.2
5.11
=
m
m
La relación se encuentra dentro del rango.
Una vez obtenido esto, se podrá determinar el suministro de aire necesario para mantener el
proceso en funcionamiento óptimo, en base a la longitud obtenida.
Aire necesario:
SALAir = (5.17)
donde:
Air = Aire necesario
SA = Suministro de aire por unidad de longitud por minuto = 0.3 m3
/m*min
L = Longitud = 11.5 m

105
Sustituyendo:
mmmAir 5.11min/3. 3
×= (5.18)
min/45.3 3
mAir =
Por último se estimará la cantidad de arena que se va a extraer del desarenador, para esto es
necesario estimar nuestra concentración de arenas en función de la caracterización del agua
mostrada en el capítulo uno y la relación con la Tabla 5.8.
Tabla 5.8 Concentración de arenas (WEF, 1992)
CONCENTRACIÓN
Contaminantes Unidades Débil Media Fuerte
Sólidos Totales mg/l 350 720 1200
Disueltos Totales mg/l 250 500 850
Fijos mg/l 145 300 525
Volátiles mg/l 105 200 325
Sólidos en suspensión mg/l 100 220 350
Fijos mg/l 20 55 75
Volátiles mg/l 80 165 275
La concentración promedio de sólidos totales obtenida de los tres distintos puntos donde se
extrajeron las muestras es de 253.7 mg/l, lo cual nos ubica en una concentración débil de
sólidos totales según la tabla 5.6. Una vez que se haya entrado a la Tabla 5.8, se escogerá el
valor típico propuesto de sólidos en suspensión “fijos” (arenas) y se obtiene: 20 mg/l =
9.1cm3
/m3
.

106
Con dicho valor se calculará el volumen de Arena:
SSFQoVa = (5.19)
donde:
Va = Volumen de Arenas.
SSF = Sólidos suspendidos fijos = 9.1cm3
/m3
Qo = Gasto = .220865 m3
/seg
Sustituyendo:
segmmcmVa /220865.*/1.9 333
= (5.20)
diamsegcmVa /17.0/2 33
==
Con esto último queda dimensionado el tanque de aireación, aunque se deben tomar en cuenta
los siguientes aspectos que ya fueron mencionados con anterioridad:
• El canal colector de arenas de 0.9 m de profundidad, con paredes laterales inclinadas,
se ubicará a lo largo del fondo del tanque
• Los difusores se deberán ubicar entre 0.45 y 0.6 m por encima del fondo del tanque.
• Para mejorar la eficiencia en la remoción de arenas se ubicarán deflectores tanto a la
entrada como a la salida y así ejercer un control hidráulico sobre el elemento.

107
5.4 Tanques de sedimentación primaria
Siempre que un líquido que contenga sólidos en suspensión se encuentre en estado de relativo
reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido tenderán a
depositarse en el fondo, y los de menor peso específico a ascender.
Estos principios básicos se emplean para el análisis y diseño de los tanques de sedimentación
utilizados en el tratamiento de aguas residuales. La finalidad del tratamiento por
sedimentación es eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y del material flotante y, por lo
tanto, reducir el contenido de sólidos en suspensión en el agua tratada.
Los tanques de sedimentación primaria contribuyen de manera importante al tratamiento del
agua residual. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, su objetivo principal es la
eliminación de: 1.- sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de fango en las aguas
receptoras; 2.- aceite libre, grasas y otras materias flotantes, y 3.- parte de la carga orgánica
vertida a las aguas receptoras. Cuando los tanques se emplean como paso previo de
tratamientos biológicos, el cual es el caso del proyecto, su función es la reducción de la carga
afluente a los reactores biológicos. Los tanques de sedimentación primaria dimensionados y
operados de manera eficiente pueden eliminar entre el 50 y 70 % de los sólidos suspendidos y
entre el 25 y 40 % de la DBO5.
Los tanques de sedimentación primaria que preceden a los procesos de tratamiento biológico,
pueden diseñarse de forma que sus tiempos de retención hidráulica sean menores y tengan una
carga de superficie más alta que los que se utilizan como único medio de tratamiento, excepto

108
cuando el lodo activado en exceso se envíe a los tanques de sedimentación primaria para su
mezcla con el lodo primario.
5.4.1 Fundamentos del diseño
Si todos los sólidos presentes en el agua residual fueran partículas discretas de tamaño,
densidad, peso específico y forma uniforme, la eficiencia de eliminación de estos sólidos
dependería solamente del área superficial del tanque y del tiempo de retención. En tal caso,
suponiendo que las velocidades de circulación horizontales se mantuvieran por debajo de las
de arrastre, la profundidad del tanque tendría poca importancia. Sin embargo, en la realidad,
los sólidos de la mayoría de las aguas residuales no presentan características regulares debido
a su naturaleza heterogénea. A continuación se describen los parámetros más importantes
involucrados en el diseño de sedimentadores primarios.
5.4.2 Remoción de DBO y SST
La Figura 5.8 se obtuvo a partir de observaciones realizadas a sedimentadotes en
funcionamiento, y en ella se presenta información útil acerca de la eficiencia en la remoción de
DBO y SST en tanques de sedimentación primaria, como función de la concentración del
afluente y el tiempo de retención.
La familia de curvas en la Figura 5.8 puede modelarse matemáticamente como una hipérbola
regular usando la siguiente expresión:

109
bta
t
R
+
= (5.21)
donde R = porcentaje de remoción de DBO ó SST esperado, %
t = tiempo nominal de retención, h
a,b = constantes empíricas
De acuerdo a Crites y Tchobanoglous (2000), las constantes a y b pueden tomar los siguientes
valores a 20 °C (Tabla 5.9):
Tabla 5.9 Valores de las constantes empíricas a y b.(Crites y Tchobanoglous, 2000)
Figura 5.8 Remoción de DBO y SST en tanques de sedimentación
primaria. (Metcalf & Eddy, 1996)
Variable a b
DBO 0.018 0.020
SST 0.0075 0.014

110
5.4.3 Tiempo de retención
Por lo general, los tanques de sedimentación primaria se proyectan para proporcionar un
tiempo de retención entre 1.5 a 2.5 horas para el caudal medio del agua residual. Los tanques
que proporcionan tiempos de retención menores (0.5 a 1 hr), con menor eliminación de sólidos
suspendidos, se usan en ocasiones como tratamiento primario previo a las unidades de
tratamiento biológico.
En el análisis y diseño de tanques de sedimentación primaria, los efectos de la temperatura no
suelen requerir atención especial. Sin embargo, en zonas de climas fríos, los incrementos de la
viscosidad del agua producidos por las bajas temperaturas pueden retardar la sedimentación de
las partículas y, consecuentemente, reducir la eficiencia del proceso de separación de sólidos
cuando las temperaturas bajen de los 10 °C. En este caso, la temperatura promedio de Puebla
ronda por los 20 °C, por lo que el tiempo de retención no se verá afectado por este factor.
5.4.4 Cargas de superficie
Los tanques de sedimentación se suelen dimensionar en función de la carga de superficie,
expresada en m3
/m2
. La adopción de una carga de superficie adecuada depende del tipo de
suspensión que se deba sedimentar. La Tabla 5.10 presenta información típica para el diseño
de tanques de sedimentación primaria.

111
Los efectos de la carga de superficie y del tiempo de retención sobre la eliminación de sólidos
suspendidos varían ampliamente en función de las características del agua residual, de la
proporción de sólidos sedimentables y de la concentración de sólidos, principalmente. Es
conveniente poner especial atención en el hecho de que las cargas de superficie deben ser lo
suficientemente reducidas como para asegurar el rendimiento de las instalaciones en
condiciones de caudal punta.
Tabla 5.10 Información típica para el diseño de tanques de
sedimentación primaria (Metcalf & Eddy, 1996)
CARACTERÍSTICAS INTERVALO TÍPICO
Sedimentación primaria seguida de tratamiento secundario:
Tiempo de retención, h 1.5-2.5 2
Carga de superficie, m3
/m2
*día
A caudal medio 30-50 40
A caudal punta 80-120 100
Carga sobre vertedero, m3
/m*día 125-500 250
Sedimentación primaria con adición del lodo activado en exceso:
Tiempo de retención, h 1.5-2.5 2
Carga de superficie, m3
/m2
*día
A caudal medio 24-32 28
A caudal punta 48-70 60
Carga sobre vertedero, m3
/m*día 125-500 250
5.4.5 Velocidad de arrastre
La velocidad de arrastre es importante en las operaciones de sedimentación. Las fuerzas
actuantes sobre las partículas sedimentadas son causadas por la fricción del agua que fluye
sobre las mismas. En los tanques de sedimentación, las velocidades horizontales se deben
mantener a niveles bajos, de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del
tanque. La velocidad crítica viene dada por la siguiente ecuación desarrollada por Camp, a
partir de estudios realizados por Shields (1936):

112
( )
2/1
18





 −
=
f
gdsk
VH (5.22)
Donde VH = velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de partículas.
k = constante que depende del tipo de material arrastrado.
s = peso específico de las partículas.
g = aceleración de la gravedad.
d = diámetro de las partículas.
f = factor de fricción de Darcy-Weisbach.
Los valores más comunes de k son 0.04 para arena unigranular, 0.06 para materia más
agregada. El factor de Darcy-Weisbach depende de las características de la superficie sobre la
que tiene lugar el flujo y del número de Reynolds, sus valores típicos están entre 0.02 y 0.03.
Tanto k y f, son constantes adimensionales.
5.4.6 Tipos de tanques de sedimentación primaria
La mayoría de las plantas de tratamiento utilizan tanques de sedimentación de diseño
normalizado, rectangulares o circulares (Figura 5.9), con dispositivos mecánicos para la
recolección y desalojo de lodos.
El flujo horizontal predomina en los sedimentadores horizontales, a diferencia del flujo radial
que ocurre en sedimentadores circulares. Los sedimentadores rectangulares (Figura 5.10)

113
cuentan con barredores con cadenas o puentes móviles, para la recolección de lodos
sedimentados.
Figura 5.9 Tanque de sedimentación primaria circular (Horan,2003)
En los sedimentadores rectangulares, la distribución del caudal es crítica, por lo que se
requiere emplear alguno de los siguientes diseños: 1.- canales que ocupan la totalidad del
ancho del sedimentador, con vertederos de entrada, 2.- canales de entrada con orificios
sumergidos, 3.- canales de entrada con compuertas grandes y deflectores. Los deflectores
ubicados en la entrada se utilizan para reducir las altas velocidades de ingreso y para distribuir
el flujo a lo largo de la mayor sección transversal posible.

114
Figura 5.10 Tanque de sedimentación primaria rectangular (Horan,2003)
Las espumas que se generan en los tanques de sedimentación son recolectadas por medio de
desnatadores que se mueven sobre la superficie del líquido. En instalaciones donde la cantidad
de espuma es considerable, los pozos para espuma están equipados con agitadores que
promueven una mezcla homogénea antes del bombeo
La Tabla 5.11 muestra dimensiones y algunos otros datos típicos de los tanques de
sedimentación primaria rectangulares.
Tabla 5.11 Información típica para el diseño de un sedimentador
primario rectangular. (Metcalf & Eddy, 1996)
TIPO DE TANQUE INTERVALO TÍPICO
Rectangular:
Profundidad, m 3-4.5 3.6
Longitud, m 15-90 25-40
Anchura, m 3-25 5-10
Velocidad de los rascadores, m/min 0.6-1.2 0.9

115
5.4.7 Diseño del tanque de sedimentación primaria
En este proyecto se diseñará un tanque de sedimentación primario de forma rectangular, cuyo
diseño se describe a continuación. Lo primero que se debe calcular es el área superficial
necesaria. Dado el gasto de diseño de 19, 083 m3
/día y proponiendo un valor de carga de
superficie (CS) de 50 m3
/m2
*día (Tabla 5.10) se calcula el área superficial necesaria de la
siguiente manera:
= (19083 m3
/día) / (50 m3
/m2
día) =381.66 m2
(5.23)
Proponiendo una relación de largo/ancho de 4 a 1, se calcula el largo y ancho del tanque:
4L2
= 381.66 m2
(5.24)
Por lo tanto, el largo será de 9.768 m, y el ancho será de 39.072 m, estas dimensiones se
redondean a 10 m y a 40 m.
Proponiendo una profundidad de 4 metros, se calcula el volumen del tanque:
Vol. = 10m x 40m x 4m = 1600 m3
(5.25)
La nueva carga superficial será:
A
Q
CS = = (19083m3
/día) / (10 m x 40 m)= 47.7 m3
/m2
día (5.26)
CS
Q
A =

116
El tiempo de retención será:
Q
Vol
Tr = = (1600 m3
) / (19083 m3
/día) = 2.01 horas (5.27)
De la ecuación (5.22), se puede calcular la velocidad de arrastre usando los siguientes valores:
Constante de cohesión k = 0.05
Gravedad específica s = 1.25
Aceleración de la gravedad g = 9.806 m/s2
Diámetro de partículas d = 100 µm
Factor de fricción Darcy-Weisbach f = 0.025
( ) =




 ×××××
=




 −
=
−
2/1
62/1
025.0
10100806.925.05.0818
f
gdsk
VH 0.0626m/s (5.28)
Esta velocidad de arrastre calculara se compara con la velocidad horizontal, la cual es igual al
caudal divido entre la sección de flujo, la cual es de 4 m por 10 m, entonces:
sm
mm
diam
A
Q
V
x
H /005521.0
410
/19083 3
=





×
== (5.29)

117
La velocidad horizontal, es considerablemente menor que la velocidad de arrastre. Por lo tanto,
el material sedimentado no será resuspendido.
Con la ecuación (5.21) y los valores de las constantes empíricas de la Tabla 5.1, se pueden
calcular las tasas de remoción de DBO y SST.
Remoción de DBO
( )( )
=
+
=
+
=
01.202.0018.0
01.2
bta
t
34.5 % (5.30)
Remoción de SST
( )( )
=
+
=
+
=
01.2014.00075.0
01.2
bta
t
56.4 % (5.31)

Capitulo5

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (20)

Destacado (15)

Similar a Capitulo5 (20)

Más de miriamxita (9)

Último (20)

Capitulo5