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FLOCULADORES- DISEO -lvaro Castillo MirandaFLOCULACINLa floculacin es La operacin mediante la cual las partculas ya desestabilizadas entran en contacto efectivo, formando flocs o flculos que pueden removerse por sedimentacin en un tiempo adecuado a una PTAP.lvaro Castillo MirandaTipos de FloculacinEn las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 C, el tiempo de floculacin necesario suele ser ms breve. En cambio, en los lugares fros, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos largos.FloculadoresPara que el periodo de retencin real de la unidad coincida con el de diseo, debe tener el mayor nmero posible de compartimientos o divisiones.El paso del mezclador al floculador debe ser instantneo y deben evitarse los canales y las interconexiones largas.un mezclado demasiado intenso los rompe los flocs y raramente se vuelven a formar en su tamao y peso ptimos. La floculacin no solo incrementa el tamao de las partculas del flculo, sino que tambin aumenta su peso.4Los floculadores se clasifican en mecnicos e hidrulicos. Una clasificacin ms amplia podra ser:

Floculadores de contacto de slidos o en manto de lodos.

Floculadores de potencia o de disipacin de energa (hidrulica, mecnica o neumtica).FloculadoresLos floculadores de contacto de slidos o de manto de lodos son controlados por la concentracin de slidos. Como sta vara continuamente es necesaria una atencin constante del operador.Los floculadores hidrulicos utilizan la energa hidrulica disponible a travs de la prdida de carga en el canal o tanque de mezcla lenta. Los floculadores mecnicos y neumticos utilizan energa de una fuente externa, generalmente un motor elctrico para los primeros y un compresor o soplador de aire para los segundos.FloculadoresTIPOS DE FLOCULADORES lvaro Castillo MirandaCualquier dispositivo en que se utilice la energa hidrulica disipada en el flujo del agua a travs de un tanque, canal o canalizacin, puede utilizarse como floculador hidrulico.

Los floculadores hidrulicos ms utilizados han sido los de tabiques, de flujo horizontal o vertical. En los primeros, el agua circula con un movimiento de ida y vuelta y en los segundos, la corriente sube y baja sucesivamente contornando los diversos tabiques.

Floculadores Hidrulicos Se pueden utilizar pantallas removibles de concreto prefabricadas, fibra de vidrio, madera, plstico, asbesto-cemento u otro material de bajo costo, disponible en el medio y que no constituya un riesgo de contaminacin.

De esta manera, se le da mayor flexibilidad a la unidad y se reduce el rea construida, disminuyendo por consiguiente el costo de construccinF.H.F.H.La unidad puede tener una profundidad de hasta 1,0 m, dependiendo del material utilizado en las pantallas.Considerar, en el fondo de la unidad, una pendiente igual a la prdida de carga obtenida en el clculo, de tal modo que la altura de agua permanezca constante y, por lo tanto, el gradiente de velocidad en todo el tramo tambin se mantenga as.Al elegir el ancho de la unidad, debe tenerse en cuenta el ancho de la vuelta en el ltimo tramo, de tal modo que las pantallas se crucen por lo menos en un tercio de su longitud.F.H.F.H.Cuando la unidad se disea con el fondo plano. La seccin inicial es mucho mayor que la final y, como el caudal es constante, la velocidad es menor al inicio y mayor al final. Alevaluar esta unidad, se encontr que los gradientes de velocidad estaban al revs, empezaban bajos y terminaban altos.10En este tipo de unidades el flujo sube y baja a travs de canales verticales formados por las pantallas. Es una solucin ideal para plantas de medianas a grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades, ocupan reas ms reducidas que los canales de flujo horizontal.

Otra ventaja importante es que el rea de la unidad guarda proporcin con respecto a los decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas ms compactos y mejor proporcionados.

Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantas grandes, el rea de los floculadores es mucho mayor que el rea de todas las dems unidades juntas.F.H.F.V.Parmetros y recomendaciones de diseo

Las unidades de flujo vertical son una solucin recomendable para plantas de capacidad mayor de 50 litros por segundo.

Se proyectan para profundidades de 3 a 4 metros, por lo que ocupan un rea menor que las unidades de flujo horizontal.

Los tabiques pueden ser de fibra de vidrio, prefabricados de concreto, de madera o de asbesto-cemento.F.H.F.V.Para evitar la acumulacin de lodos en el fondo y facilitar el vaciado del tanque, se dejar una abertura equivalente al 5% del rea horizontal de cada compartimiento en la base de cada tabique que llega hasta el fondoF.H.F.V.El gradiente medio de velocidad debe estar entre 20 s-1 y 70 s-1

El tiempo de detencin debe seleccionarse entre 20 y 40 minutos

La velocidad del agua a travs del tanque debe estar entre 0.2 m/s y 0.6 m/s.Criterios de diseo para floculadores de tabiques, de flujo horizontal y flujo vertical RAS 2000Pendiente del fondo disearla con base en las prdidas de energa totales.

El gradiente de velocidad debe ir de mayor a menor.Floculadores de tabiques, de flujo horizontal Separacin entre el extremo del tabique y el muro: 1,5 veces la separacin entre tabiques.b1,5bLas prdidas de E por cambio de direccin deben predominar sobre las de friccin.15Floculadores de tabiques, de flujo horizontal N: # de tabiques k: constante emprica; vara de 1,5 a 4V: velocidad media del flujo = Q/A n = 0,013 para cemento y 0,012 para A/CLas prdidas de E por cambio de direccin deben predominar sobre las de friccin.16Gradientes de velocidad en floculadores hidrulicos hf: prdidas de energa, en m. t: tiempo de retencin hidrulica (floculacin), en s.r: viscosidad cinemtica (28C) = 8,39*10-7 m2/s: peso especfico (28C) = 996.26 Kgf/m3 : viscosidad absoluta (28C) = 8.53*10-4 Kgf.s/m2 Procedimiento para el diseo de un floculador de tabiques, de flujo horizontalDeterminar el nmero de floculadores y el Q de cada uno.

Determinar el tiempo de retencin hidrulica total.

Determinar secciones del floculador, por tiempo de retencin hidrulica, las cuales tendrn Gradientes de velocidad diferentes.

Seleccionar la velocidad media del flujo en cada seccin.

Determinar el rea transversal entre tabiques en cada seccin, con base en el Q y la v.

Asumir una profundidad y determinar la separacin entre tabiques o viceversa.

Procedimiento para el diseo de un floculador de tabiques, de flujo horizontalCalcular la distancia recorrida por el flujo en cada seccin.

Asumir la longitud de los tabiques y el ancho del floculador (ajustar dimensiones).

Calcular el nmero de tabiques por seccin (con base en el recorrido y el ancho de la unidad)

Determinar la longitud de cada seccin (con base en los espacios entre tabiques y el espesor de estos)Procedimiento para el diseo de un floculador de tabiques, de flujo horizontalCalcular las prdidas de carga por seccin y los gradientes de velocidad.

Definir y disear dispositivos de entrada y salida del flujo

Definir y disear el sistema de evacuacin de agua de lavado.Los cortocircuitos y espacios muertos que se producen son mnimos, de tal modo que el tiempo de retencin terico es similar al tiempo real obtenido en la unidad.

Carecen de elementos mviles o mecnicos, de tal modo que la operacin y el mantenimiento son muy simples y poco costosos; se reducen bsicamente a limpieza y pintura.

Son muy confiables, garantizan un funcionamiento continuo.

Se economiza energa elctrica.Ventajas de las unidades de pantallasSe autorregulan cuando se producen variaciones de caudal, y el nmero de Camp (Nc) se mantiene ms o menos constante. Al bajar el caudal, disminuye el gradiente de velocidad y se incrementa el tiempo de retencin; cuando sube el caudal, el efecto es el inverso. Dependiendo de cunto se incremente el caudal de operacin, podemos estar generando gradientes de velocidad tan altos que rompan el flculo.Ventajas de las unidades de pantallasSi se selecciona apropiadamente el rango de gradiente de velocidad, se puede explotar esta propiedad en el diseo de plantas en las que se pueden esperar pequeas variaciones diarias de caudal, teniendo en cuenta que variaciones de 50% producen variaciones de gradientes de velocidad de aproximadamente 20%.La prdida de carga es mayor en las vueltas que en los canales y el gradiente de velocidad vara en forma similar. Esta desventaja se atena con las pantallas onduladas.

Producen prdidas de carga ms o menos altas.Desventajas de las unidades de pantallasEst constituido por compartimentos intercomunicados por la parte inferior a travs de curvas de 90 hacia arriba.

El flujo es ascendente y descendente en el interior del mismo compartimento y de este modo, aprovecha el fenmeno de floculacin ortocintica, lo que lo hace a este tipo de floculador muy eficiente, a pesar de su simplicidad.Floculadores Alabama

Este floculador consta de una serie de pasos entre cmaras mediante el uso de codos de gran dimetro.

Los gradientes se forman en la entrada del tubo, en el codo y en la boca de salida.

El gradiente se modifica mediante la incorporacin de platinas.Floculador AlabamaEl agua hace un movimiento ascendente-descendente dentro de cada compartimiento, por lo que es muy importante mantener la velocidad del agua constante, para inducir este comportamiento La velocidad ascensional ser constante mientras el caudal sea constante; por esta razn, estas unidades son muy vulnerables a las variaciones de caudal.

Si el caudal de operacin baja, el agua ya no hace su recorrido ascensional y solamente pasar por el fondo de la unidad de una boquilla a la otra, lo que generar un cortocircuito en esta zona y un gran espacio muerto en toda la parte superior.Floculadores Alabama26El gradiente de velocidad se produce casi exclusivamente en los puntos de paso (accesos, codos, salidas del codo), los cuales estn localizados en el fondo de la unidad y distribuidos alternadamente en uno y otro extremoLa relacin de la longitud del niple con respecto a su dimetro debe ser de 1 a 5.Floculadores AlabamaCriterios de diseo del RAS 2000

Los codos deben colocarse alternados, uno a la derecha y el prximo a la izquierda. Debe dejarse un desage conectado a un mltiple para evacuacin de lodos. Nmero de cmaras: Mnimo 8 Velocidad en el codo: 0,2 a 0,4 m/sGradiente de velocidad: 20-70 (1/s)TRH: 20-40 minFloculadores AlabamaFloculadores AlabamaGradientes de velocidad en floculadores hidrulicos hf: prdidas de energa, en m. t: tiempo de retencin hidrulica (floculacin), en s.r: viscosidad cinemtica (28C) = 8,39*10-7 m2/s: peso especfico (28C) = 996.26 Kgf/m3 : viscosidad absoluta (28C) = 8.53*10-4 Kgf.s/m2 Procedimiento en el diseo de Floculadores AlabamaSeleccionar el nmero de floculadores. Caudal del floculador = caudal de la planta / # de floculadores.

Seleccionar el nmero de cmaras de cada floculador

Seleccionar el tiempo de retencin hidrulica del floculador y de cada cmara

Determinar el volumen de cada cmara y sus dimensiones.Determinar el dimetro de los codos, con base en el caudal y el rango de velocidad admitido.

Determinar las prdidas de energa en cada cmara

Determinar el gradiente de velocidad de la cmara diseada. ste debe ser muy cercano a 20 (1/s)Procedimiento en el diseo de Floculadores AlabamaSeleccionar las platinas necesarias para variar los gradientes de velocidad en cualquier cmara

Disear el dispositivo de entrada y salida del flujo.

Disear el sistema de evacuacin de aguas de lavadoProcedimiento en el diseo de Floculadores AlabamaEl lodo recin coagulado tiene la propiedad de precipitar partculas en suspensin. Este principio dio origen a los decantadores de flujo vertical con manto de lodos, tambin denominados clarificadores de contacto o simplemente, clarificador seguido de un nombre o marca de una serie de equipamientos patentados Circulator, Pulsator, Permujet, Accelerator, etc.

El principio bsico es el mismo para todos. Normalmente estas unidades renen en un nico tanque la floculacin y la decantacin en flujo vertical.Floculacin en Manto de LodosLa sedimentacin se da en el sentido contrario al flujo del agua, causando aglutinacin de flculos por contacto entre ellos. Con el aporte de nuevas partculas tradas por el agua cruda y del coagulante aplicado para desestabilizarlas, el manto tiende a expandirse vertiendo hacia el concentrador, desde donde es drenado peridicamente a travs de una vlvula accionada manualmente o por temporizador, a fin de mantener la concentracin ptima del manto de lodos y su estabilidad.Floculacin en Manto de LodosEl floculador en medio poroso, tuvo sus primeras aplicaciones en la India y en el Brasil, en la dcada del 70 y recientemente fue perfeccionado en Francia y en los Estados Unidos.

La floculacin en medio poroso o por contacto consiste en pasar el agua, luego de haber recibido el coagulante, a travs de un medio granular contenido en un tanque, generalmente de flujo ascendente o descendente. Floculadores de Medios PorososEn esta unidad el agua flocula al pasar a travs de los espacios o poros de un material granulado, los cuales desempean la funcin de pequeos compartimientos.

Parmetros y recomendaciones de diseo:

Es una unidad hidrulica con un nmero casi infinito de cmaras o compartimientos, lo cual explica su gran eficiencia, de acuerdo con la teora de Harris y Kaufman

Como material granular, pueden utilizarse piedras, bolitas de plstico, residuos de las fbricas de plstico, segmentos de tubos o cualquier otro tipo de material similar no putrescible ni contaminanteFloculadores de Medios PorososSe recomienda disear esta unidad con flujo ascendente y forma tronco-cnica, a fin de escalonar los gradientes de velocidad, manteniendo el tamao del material constante para facilitar la limpieza.

El tiempo de retencin total es de apenas 5 a 10 min (efecto del infinito nmero de compartimientos de la unidad).

La informacin disponible sobre floculadores de piedras solo permite disear unidades para caudales de hasta 10 a 15 L/sFloculadores de Medios PorososLas investigaciones realizadas hasta el momento solo permiten disear estos floculadores con piedra de 1/2" a 3/4" (dimetro medio = 15,9 mm). Investigaciones asesoradas por el CEPIS/OPS con piedras de tamao mayor indican que no se puede lograr todo el rango de gradientes de velocidad para floculacin variando el dimetro equivalente de las piedras u otro material similar.39Floculador COX

En el floculador Cox, hay varias cmaras en serie. Las aberturas se colocan alternativamente en la parte superior e inferior y a cada lado de las cmaras, forzando el agua a realizar un movimiento en zig-zag.

La intensidad de la agitacin se controla por medio de compuertas colocadas en las aberturas.

La velocidad en los pasajes entre las cmaras vara entre 0,7 y 0,5 m/s en la primera cmara y 0,20 y 0,10 m/s en la ltima cmara, siendo el tiempo de floculacin entre 15 y 25 minutos.

El floculador fue ideado por el Ing. Charles R. Cox, en Brasil, en la dcada del 60.Floculadores Hidrulicos

Principales deficiencias de los floculadores hidrulicos:

Falta de flexibilidad para responder a cambios en la calidad del agua.

La hidrulica y los parmetros de floculacin tiempo de floculacin y gradientes de velocidad son funcin del caudal y no se regulan independientemente o son de difcil ajuste.

La prdida de carga puede ser significativa.La mezcla se genera por una transformacin de energa elctrica a energa mecnica.La energa mecnica es generada por un motor, que la transfiere mediante un eje a unos brazos agitadores que imparten movimiento rotatorio y turbulencia al fluido.La configuracin del eje puede ser vertical u horizontal.La adaptabilidad del sistema depende en que la velocidad sea ajustable.Floculadores mecnicosFloculadores mecnicosVentajas

En el sistema es mucho ms fcil ajustar los gradientes de velocidad que en los floculadores hidrulicos. Requiere mucha menos rea superfiical.No genera muchas prdidas de energa hidrulica

Desventajas

Requiere fluido elctrico continuo Es un sistema ms costoso Requiere un mantenimiento con personal ms capacitadoCriterios de diseo del RAS 2000TRH: 20-40 minG: 15-75 (1/s)Velocidad en el extremo de paleta: 20 (1/s)Separacin de paletas a paredes y fondo del tanque: 15-30 cmMnimo: 2 floculadoresMnimo: 2 cmaras/floculador para niveles de complejidad bajo y medio.Mnimo: 4 cmaras/floculador para niveles de complejidad medio alto y altoFloculadores mecnicosrea de las paletas de dos brazos contiguos: 10-25% del rea transversal, para prevenir rotacin del aguaFloculadores mecnicosFuente: Manual de potabilizacin del agua. Jorge Prez ParraFloculadores mecnicosFuente: Manual de potabilizacin del agua. Jorge Prez Parra b/lCd11,1021,1541,19101,29181,402,01Valores de b/l Vs CdFuente: Manual de potabilizacin del agua. Jorge Prez Parra