Un clarificador rectangular de aguas residuales es un tanque de sedimentación que separa los sólidos en suspensión del agua mediante la gravedad, produciendo un efluente más limpio en la parte superior y lodos concentrados en el fondo.
Su diseño favorece un recorrido longitudinal del agua, una distribución uniforme del caudal y una recogida controlada de los sólidos sedimentados. Cuando está correctamente dimensionado, reduce la carga sobre las etapas posteriores, mejora la calidad del efluente y facilita la gestión de los lodos.
Qué es un clarificador rectangular
Un clarificador de aguas residuales es una estructura utilizada para separar del agua las partículas sólidas que pueden depositarse por efecto de la gravedad. Su función principal consiste en favorecer la separación sólido-líquido, obteniendo en la parte superior un agua con una menor concentración de sólidos en suspensión y recogiendo en el fondo los materiales sedimentados.
El clarificador rectangular presenta un depósito alargado en el que el agua avanza horizontalmente desde la zona de entrada hasta la zona de salida. Durante ese recorrido, la velocidad del flujo disminuye y las partículas más pesadas se depositan en el fondo.
La clarificación representa una fase importante en numerosos procesos de tratamiento de aguas industriales. Reducir la cantidad de sólidos presentes en el líquido permite disminuir la carga sobre los equipos situados aguas abajo, mejorar la gestión de los lodos y, cuando las características del agua lo permiten, favorecer su recuperación y reutilización dentro del proceso productivo.
Sin embargo, un clarificador no debe considerarse por sí solo un sistema completo de depuración. Su función principal es separar los materiales sedimentables. Las sustancias disueltas, las partículas que permanecen de forma estable en suspensión y otros posibles contaminantes pueden requerir tratamientos adicionales.
Principio de funcionamiento
El principio del clarificador rectangular es la sedimentación por gravedad. Si se reduce suficientemente la velocidad del agua y se proporciona a las partículas el tiempo y el espacio necesarios, estas descienden hacia el fondo del tanque.
La sedimentación es el proceso físico mediante el cual las partículas sólidas suspendidas en un líquido tienden a descender hacia el fondo cuando su densidad es superior a la del agua. Dentro del clarificador, el flujo se gestiona para crear condiciones favorables para la separación.
Al reducir la velocidad del agua y limitar las turbulencias, las partículas pueden depositarse en el fondo, mientras que el agua clarificada se recoge en la parte superior. El agua entra lentamente para que las partículas más pesadas se hundan, mientras que un mecanismo rascador recoge los lodos sedimentados para su eliminación.
La eficacia de la sedimentación depende de varios factores, entre ellos:
- tamaño de las partículas;
- densidad de los sólidos;
- concentración del material en suspensión;
- caudal de agua;
- características de las aguas residuales;
- continuidad o variabilidad del proceso.
El principio general es sencillo, pero la configuración del clarificador debe adaptarse a las características reales del agua y de los materiales que deben separarse.
Etapas del funcionamiento de un clarificador rectangular
Entrada y distribución del caudal
El agua residual ingresa al clarificador a través de sistemas de distribución que minimizan las turbulencias y permiten un flujo uniforme. La zona de entrada debe disipar la energía del afluente y evitar que el caudal penetre directamente en la zona de sedimentación con una velocidad excesiva.
El agua entra al clarificador horizontalmente. La zona de entrada generalmente incluye paredes perforadas, paredes ranuradas o estructuras de distribución que ayudan a distribuir el flujo de manera uniforme a través del ancho del tanque, de forma similar a los requisitos de diseño para un clarificador de flujo horizontal convencional.
La distribución uniforme del caudal es fundamental porque las velocidades locales elevadas pueden romper los flóculos, provocar turbulencias y resuspender los lodos previamente depositados.
Zona de sedimentación
En la zona de sedimentación, el agua avanza lentamente por el depósito rectangular. Las partículas sólidas más pesadas que el agua se depositan gradualmente en el fondo del tanque debido a la acción de la gravedad.
El largo recorrido del clarificador rectangular proporciona un tiempo de retención hidráulica prolongado, lo que minimiza los cortocircuitos y maximiza la sedimentación de los lodos. Esto optimiza el tiempo de contacto entre el agua y los procesos de tratamiento dentro del sistema, lo que conduce a un tratamiento más eficaz y completo.
La forma de los clarificadores rectangulares proporciona un recorrido más largo para el flujo de aguas residuales y los sólidos en suspensión. Por lo tanto, el mayor tiempo de retención puede garantizar menos cortocircuitos y más sedimentación de lodos en comparación con los clarificadores circulares de alimentación central y desbordamiento periférico.
Recogida y evacuación de lodos
Los sólidos sedimentados se concentran en la parte inferior del clarificador y forman una mezcla de lodos con un porcentaje de sólidos superior al del agua de entrada. Un clarificador de lodos debe permitir no solo la separación, sino también la recogida y evacuación controlada del material depositado.
En los clarificadores rectangulares, un sistema de cadenas, bandas, rastras o raspadores desplaza los lodos hacia un canal lateral o hacia tolvas de recogida. Los grandes tanques de sedimentación con medios mecánicos incorporados, como cuchillas raspadoras, actúan continuamente para remover los sólidos hacia la tubería o lugar donde se produce la recolección de lodos y espumas.
Una evacuación correcta es importante para evitar acumulaciones excesivas en el fondo y mantener constante el volumen disponible para la sedimentación. La acumulación prolongada puede reducir el volumen útil, favorecer la fermentación del lodo y aumentar el riesgo de resuspensión.
Salida del agua clarificada
El agua clarificada sube y se desborda por un aliviadero o vertedero situado en la superficie, desde donde pasa a la siguiente etapa del tratamiento. La salida debe recoger el agua de manera uniforme para evitar velocidades localmente elevadas y arrastre de sólidos.
Una vez que los sólidos sedimentables y flotantes se han separado del afluente, el líquido pasa a través de un vertedero, generalmente un vertedero en V. El propósito del vertedero es permitir que pase una fina película de agua a través del vertedero, pero muy pocos sólidos suspendidos.
El vertedero generalmente está precedido por un deflector de espuma que evita que la espuma llegue al vertedero. Después de fluir a través del vertedero, el líquido entra en el canal de efluente. El efluente del canal se extrae y se trata más, o se descarga directamente de la planta.
Retirada de materiales flotantes
Los sólidos con densidad menor que la del agua, como grasas y aceites, ascienden hacia la superficie y forman una capa de espumas o natas. Los desnatadores superficiales retiran continuamente estos materiales.
La espuma se acumula en la superficie y se elimina usando un desnatador. El desnatador descarga la espuma en el canal de espuma, donde se drena a una ubicación remota.
Cuando los sólidos son más ligeros que el agua, como el aceite, la grasa, las fibras o los flóculos ligeros coagulados químicamente, la sedimentación resulta difícil. En ese caso, un sistema de flotación de aire disuelto hace que los contaminantes floten en lugar de que se depositen.
Componentes principales
Un clarificador rectangular convencional está formado por una entrada, una zona de distribución, una zona de sedimentación, un sistema de recogida de lodos, un sistema de retirada de flotantes, una salida de efluente y los elementos de control hidráulico y mecánico.
| Componente | Función principal |
|---|---|
| Entrada de afluente | Introducir las aguas residuales en el tanque. |
| Entrada disipadora de energía | Reducir la velocidad del afluente y limitar las turbulencias. |
| Zona de sedimentación | Permitir que los sólidos suspendidos se depositen por gravedad. |
| Rastras, cadenas o bandas | Desplazar los lodos hacia los canales o tolvas de recogida. |
| Desnatador superficial | Retirar espumas, grasas y sólidos flotantes. |
| Deflector de espuma | Evitar que los flotantes alcancen el vertedero. |
| Vertedero y canal de efluente | Recoger el agua clarificada de forma uniforme. |
| Descarga de lodos | Extraer los sólidos sedimentados para su tratamiento posterior. |
Clarificador rectangular primario y secundario
Los clarificadores primarios y secundarios realizan la misma función física en diferentes etapas de la planta. Un clarificador primario elimina los sólidos sedimentables de las aguas residuales sin tratar antes del tratamiento biológico.
Un clarificador secundario separa los lodos biológicos del agua tratada tras la fase de aireación. Su función principal es separar el flóculo biológico o lodo del agua tratada.
| Factor | Clarificador primario | Clarificador secundario |
|---|---|---|
| Posición en la planta | Antes del tratamiento biológico | Tras la etapa de aireación o etapa biológica |
| Tipo de afluente | Aguas residuales brutas | Licor mezclado |
| Material eliminado | Sólidos sedimentables sin tratar, arena y algunos compuestos orgánicos | Flóculo biológico y lodos activados |
| Tipo de lodo | Lodo primario bruto | Lodos activados secundarios o de retorno |
| Objetivo principal | Reducir el impacto sobre la biología aguas abajo | Generar un efluente final transparente y separar la biomasa |
| Tiempo de retención | 1,5-2,5 horas | 2-4 horas |
Clarificador rectangular primario
Los clarificadores primarios suelen ser el primer paso importante del tratamiento después del cribado preliminar y la eliminación de arenas. Se centran en la eliminación de sólidos fácilmente sedimentables y materiales flotantes mediante sedimentación gravitacional.
La función principal del clarificador primario es la eliminación de todos los residuos sólidos sedimentables y flotantes que tienen una alta demanda de oxígeno. Los clarificadores primarios pueden eliminar entre 50 y 70% de sólidos en suspensión y entre 25 y 40% de demanda bioquímica de oxígeno de las aguas residuales brutas.
Los clarificadores típicos tienen un tiempo de retención de aproximadamente 1-2 horas y pueden separar hasta el 95% de los sólidos sedimentables del flujo de proceso.
Clarificador rectangular secundario
El clarificador secundario se sitúa después de los procesos de tratamiento biológico, como los sistemas de lodos activados. En el tanque de aireación, las aguas residuales se mezclan con aire y microorganismos que digieren la materia orgánica.
El resultado es una mezcla de agua tratada y flóculos biológicos suspendidos conocida como licor mixto. Esta mezcla fluye hacia el clarificador, donde comienza el proceso de separación sólido-líquido.
Los sólidos suspendidos en el licor mixto consisten principalmente en flóculos biológicos formados por bacterias, protozoos y otros microorganismos. Estos flóculos son más densos que el agua y tienden a asentarse rápidamente en condiciones tranquilas.
Una parte del lodo se bombea de nuevo al tanque de aireación como lodo activado de retorno para mantener una población adecuada de microorganismos. El exceso de lodo activado se elimina del sistema y se envía a unidades de espesamiento, digestión o deshidratación.
Ventajas del diseño rectangular
Recorrido hidráulico más largo
Las configuraciones rectangulares de los clarificadores ofrecen un recorrido más largo para el flujo de las aguas residuales, lo que garantiza un tiempo de retención hidráulica prolongado que minimiza los cortocircuitos y maximiza la sedimentación de los lodos.
En el contexto de los clarificadores, donde el objetivo es separar los sólidos de los líquidos, un caudal más largo contribuye a mejorar el rendimiento y la calidad del agua.
Distribución uniforme del caudal
La distribución uniforme del caudal en los clarificadores rectangulares desempeña un papel fundamental. No solo favorece la eficacia, sino que también exige menos pérdidas de carga que muchas configuraciones de clarificadores circulares.
Esta distribución uniforme es especialmente ventajosa cuando se trata de varios clarificadores. El diseño rectangular facilita la alimentación común y puede simplificar la conexión entre depósitos, tuberías y canales.
Aprovechamiento del terreno
Los clarificadores rectangulares suelen exigir menos terreno que sus homólogos circulares, ofreciendo una reducción teórica de 21% para una superficie similar.
Esta reducción se hace aún más pronunciada en los diseños de unidades múltiples cuando se aprovechan los muros de hormigón comunes entre las balsas rectangulares y se optimiza el uso del terreno en la disposición de las plantas de tratamiento.
Los clarificadores rectangulares operan con flujo horizontal. Son más económicos en grandes instalaciones y adecuados para espacios alargados.
Construcción e integración
El coste de construcción también se ve favorecido por el uso de muros de hormigón comunes y configuraciones rectangulares, lo que contribuye al ahorro global de costes de este diseño.
La distribución uniforme del caudal se traduce en trazados de tuberías y requisitos de bombeo más sencillos y menos costosos. Estas ventajas de construcción son diferentes de las de los clarificadores circulares, en los que las tuberías requieren un patrón de trazado más complejo.
El diseño y la instalación de cubiertas para los clarificadores rectangulares también pueden ser más sencillos, especialmente cuando se utilizan sistemas de cadena y banda para la recogida de lodos y flotantes.
Control de lodos y escorias
Los sistemas de cadena y banda no metálicos, con múltiples aletas instaladas a una distancia fija, desempeñan un papel crucial en la eliminación de lodos y escorias. Estos sistemas rascan el fondo del depósito y presentan flujos de lodos consistentes hacia las tolvas.
A medida que las bandas se desplazan hacia la superficie a lo largo de la cadena colectora, la escoria y la espuma son arrastradas eficazmente hacia la balsa de escoria. Esta facilidad de eliminación de la escoria y de sólidos flotantes es una ventaja distintiva asociada a los clarificadores rectangulares.
Menor riesgo de resuspensión
La velocidad de funcionamiento de los sistemas de cadena y banda no metálicos en los clarificadores rectangulares, manteniendo una velocidad constante de aproximadamente 600 mm por minuto, garantiza una eliminación eficaz de los lodos sin riesgo de resuspensión de los sólidos sedimentados.
Los colectores circulares pueden mover los lodos a mayor velocidad en el perímetro que en el centro, con velocidades del rascador superiores a 1800 mm por minuto que suponen un riesgo de resuspensión.
Coste del ciclo de vida
Al evaluar los costes del ciclo de vida de los clarificadores, tanto las configuraciones rectangulares como las circulares se sitúan en un rango similar. Sin embargo, la configuración rectangular suele tener gastos iniciales más bajos.
Un estudio de caso de un nuevo diseño de clarificador de 32 MGD en California mostró que el coste total de capital del proyecto para la configuración rectangular era 12% inferior, incluso con un coste anual de mantenimiento 50% superior.
La frecuencia de sustitución del mecanismo, estimada en cada 10 años para el rectangular y 20 años para el circular, apoya aún más el escenario favorable de costes del ciclo de vida de los clarificadores rectangulares.
Clarificador rectangular frente a clarificador circular
La forma de los clarificadores por sí sola no tiene un gran impacto en el rendimiento, siempre que estén bien diseñados. Sin embargo, cuando se comparan los detalles hidráulicos, constructivos y operativos, los clarificadores rectangulares presentan ventajas claras para determinadas instalaciones.
| Característica | Clarificador rectangular | Clarificador circular |
|---|---|---|
| Patrón de flujo | Horizontal y longitudinal | Radial desde el centro hacia el perímetro |
| Tiempo de retención | Recorrido largo y prolongado | Recorrido radial |
| Distribución del caudal | Uniforme entre varios depósitos | Alimentación central y desbordamiento periférico |
| Uso del terreno | Eficiente en instalaciones alargadas y unidades múltiples | Mayor huella para una superficie equivalente |
| Recogida de lodos | Canal lateral, cadenas, bandas o rastras | Tolva central y brazos giratorios |
| Riesgo de resuspensión | Reducido con velocidad constante | Puede aumentar en el perímetro por la velocidad de los rascadores |
El diseño circular introduce las aguas residuales en el centro del tanque y las distribuye radialmente hacia el exterior. A medida que el agua se desplaza hacia el perímetro, los sólidos se depositan en el fondo del tanque, formando un manto de lodos.
El agua limpia fluye por encima de un vertedero situado en el borde del tanque, mientras que unos rascadores giratorios situados en el fondo del tanque desplazan los sólidos sedimentados hacia un punto central de recogida para su eliminación.
El diseño rectangular presenta un paso de caudal más largo y lineal, un tiempo de retención hidráulica ampliado para una decantación eficaz de los lodos, una distribución uniforme del caudal y un uso eficiente del suelo.
Parámetros hidráulicos y de rendimiento
Tiempo de retención hidráulica
El tiempo de retención hidráulica es el tiempo durante el cual el agua permanece dentro del clarificador. Un tiempo suficiente permite que las partículas sedimentables alcancen el fondo antes de que el agua llegue a la salida.
El tiempo de retención hidráulica típico varía entre 2-4 horas en determinados clarificadores de aguas residuales. En los clarificadores primarios pueden encontrarse tiempos de retención de aproximadamente 1-2 horas o de 1,5-2,5 horas, según la aplicación y las condiciones de diseño.
Tasa de desbordamiento superficial
La tasa de desbordamiento superficial compara la tasa total de flujo de afluente con el área superficial del tanque. Es uno de los parámetros más importantes para evaluar la capacidad de un clarificador para retener partículas.
Si la carga superficial se fija demasiado alta, las partículas no disponen de tiempo suficiente para sedimentar y pueden desbordarse por el aliviadero junto con el agua clarificada.
Una investigación del Distrito Sanitario del Condado de Los Ángeles destaca la eficacia de los clarificadores rectangulares poco profundos, con 3 m de profundidad y eliminación simultánea de lodos. Este diseño alcanza una tasa de desbordamiento superficial tan alta como 2000 gpd por pie cuadrado.
Tasa de desbordamiento del vertedero
La tasa de desbordamiento del vertedero mide el flujo sobre el vertedero en comparación con la longitud del vertedero. Esta relación ayuda a comprobar si la salida recoge el efluente de forma uniforme y sin arrastrar sólidos.
Una longitud de vertedero suficiente reduce la velocidad de salida y limita las diferencias de nivel entre unas zonas y otras del tanque.
Caudal y variabilidad
El clarificador debe dimensionarse para el caudal máximo con un margen de seguridad. Cuando el caudal y la concentración de sólidos varían a lo largo del día, conviene añadir un sistema de compensación aguas arriba.
La elección de un clarificador no puede basarse únicamente en la capacidad nominal del depósito. Es necesario analizar el caudal medio y máximo, las variaciones del flujo, la concentración de sólidos y la continuidad operativa.
Problemas hidráulicos frecuentes
Cortocircuito hidráulico
El cortocircuito ocurre debido a irregularidades de temperatura o flujo dentro del clarificador. Las irregularidades de flujo conducen a diferentes velocidades dentro del depósito.
Las diferentes velocidades permiten la separación en áreas con bajo flujo, pero reducen la separación en áreas con alto flujo. Se debe evitar el cortocircuito, ya que no se puede garantizar una separación uniforme de los sólidos suspendidos en todo el clarificador.
El flujo corto localizado interrumpe la estabilidad de los flóculos, lo que hace que los flóculos formados anteriormente se separen en partículas más pequeñas.
Turbulencia en la entrada
La distribución de flujo desigual en la entrada del clarificador provoca turbulencia severa o alta velocidad de entrada cerca de la entrada. Esto da como resultado velocidades de flujo localmente altas, que pueden resuspender el lodo previamente establecido.
Para garantizar una distribución uniforme del flujo, se utilizan deflectores perforados para la distribución del agua. La velocidad del flujo horizontal en la entrada de la zona de distribución debe controlarse entre 0.010 y 0.018 m/s.
La velocidad del flujo de entrada en la sección de distribución no debe exceder 0.02-0.05 m/s.
Resuspensión de lodos
La resuspensión puede producirse cuando la velocidad del agua supera la capacidad de retención del lodo depositado o cuando los mecanismos de recogida se desplazan demasiado rápido.
La resuspensión aumenta la concentración de sólidos en el efluente y puede generar un deterioro visible de la calidad del agua clarificada. También puede reducir la capacidad efectiva del depósito al redistribuir los sólidos por toda la zona de sedimentación.
Flotación de flóculos
Los clarificadores secundarios pueden presentar flotación de sólidos cuando los flóculos biológicos ascienden hacia la superficie en lugar de sedimentarse. Este fenómeno puede sobrecargar el sistema y reducir la calidad del efluente.
Los sólidos ligeros u oleosos requieren un proceso de flotación. Un sistema de flotación de aire disuelto resulta adecuado cuando los contaminantes son aceite, grasa, fibras o flóculos ligeros coagulados químicamente.
Diseño de la zona de entrada
La entrada debe reducir la energía del afluente y distribuir el agua de manera uniforme en toda la sección transversal del clarificador. Las paredes perforadas, las paredes ranuradas y los deflectores permiten controlar la velocidad y limitar la turbulencia.
La zona de entrada debe evitar que el agua fluya directamente desde la entrada hacia la salida. Una sección de rectificación de flujo horizontal antes de la zona de sedimentación puede mejorar la resistencia al impacto, reducir la velocidad horizontal y actuar como una plancha de flujo.
Esta sección de flujo horizontal, de aproximadamente una tercera parte de la longitud total del clarificador, también disminuye la velocidad del flujo ascendente dentro de los elementos inclinados cuando se utilizan módulos lamelares.
La distribución uniforme del caudal entre varios clarificadores suele ser más sencilla en una configuración rectangular y suele requerir menos pérdidas de carga.
Diseño de la zona de salida
Para garantizar una salida uniforme del efluente, el sistema de recolección debe cubrir adecuadamente el ancho del tanque. Los colectores pueden ser canales perforados, vertederos de muesca o tuberías perforadas.
El agua tratada se evacúa por vertederos perimetrales, manteniendo un nivel constante en el tanque. En un clarificador rectangular, la salida suele organizarse mediante canales longitudinales que recogen el agua después del recorrido de sedimentación.
La disposición del sistema de recolección de efluentes es fundamental. Una salida mal distribuida puede crear corrientes preferenciales, aumentar la velocidad local y arrastrar sólidos hacia el canal de efluente.
Diseño y gestión de lodos
Los lodos extraídos pueden enviarse a depósitos de recogida, silos para lodos, filtros prensa, sistemas de espesamiento, equipos de deshidratación o fases posteriores de gestión y eliminación.
En algunos procesos se utiliza un clarificador-espesador, diseñado para favorecer no solo la separación del agua, sino también el aumento de la concentración de sólidos en los lodos extraídos.
La eficacia del clarificador depende en gran medida del proceso de tratamiento del lodo que le precede. La descarga debe ser continua o suficientemente frecuente para evitar la acumulación excesiva de sólidos en el fondo.
Problemas de la tolva y la descarga
La extracción mecánica en el clarificador puede crear zonas muertas en los bordes y extremos del depósito donde se acumula el lodo, lo que conduce a una acumulación excesiva en estas áreas.
El diseño de las tuberías de descarga de lodo puede ser inadecuado y contribuir a una eliminación deficiente. La acumulación de lodos reduce el volumen útil, aumenta el riesgo de septicidad y puede causar el retorno de sólidos a la corriente líquida.
La descarga debe coordinarse con la capacidad de las bombas, los depósitos de almacenamiento y los equipos de espesamiento o deshidratación situados aguas abajo.
Clarificadores lamelares como alternativa compacta
Los clarificadores lamelares incorporan placas o tubos inclinados para aumentar la superficie de sedimentación dentro de un volumen reducido. Las partículas se depositan sobre las placas y se deslizan hacia la tolva de lodos.
De acuerdo con el principio del tanque poco profundo, bajo la condición de un volumen efectivo fijo, cuanto mayor sea el área de superficie del clarificador, mayor es la eficiencia de sedimentación, que no está relacionada con el tiempo de detención.
En un clarificador de láminas con colonos de tubo inclinado, la zona de sedimentación se divide en múltiples capas delgadas por una serie de placas o tubos inclinados paralelos, por lo que encarna el principio del tanque poco profundo.
Para un mismo caudal, una unidad de láminas puede tener un tamaño muy inferior al de un clarificador convencional, lo que la convierte en una opción práctica cuando el espacio es reducido.
Características hidráulicas de las láminas
El flujo entre las placas o tubos inclinados tiene un radio hidráulico muy pequeño, lo que da como resultado un bajo número de Reynolds, generalmente alrededor de Re ≈ 200. Esto mantiene el flujo en un estado laminar, que es favorable para la sedimentación.
El número de Froude dentro de los tubos inclinados es de aproximadamente 1 × 10⁻³ a 1 × 10⁻⁴, lo que indica condiciones de flujo estable.
Los clarificadores lamelares aumentan el área de asentamiento efectiva y mejoran así la eficiencia de la sedimentación. Sin embargo, debido a factores como la disposición específica de las placas inclinadas, la influencia de los flujos de entrada y salida y las condiciones de flujo dentro de los tubos o placas, la capacidad de tratamiento real no puede alcanzar el máximo teórico.
La relación entre la eficiencia de sedimentación real y la eficiencia teórica se denomina coeficiente efectivo.
Las placas inclinadas acortan la distancia de asentamiento de las partículas y reducen en gran medida el tiempo de asentamiento. Las partículas de flóculo pueden chocar y reagruparse dentro del colonizador de tubo inclinado, promoviendo un mayor crecimiento de partículas y mejorando la eficiencia de sedimentación.
Tipos de flujo en los módulos inclinados
En un clarificador de láminas, de acuerdo con la dirección en la que el agua fluye a través de las placas inclinadas, hay tres tipos de flujo: flujo hacia arriba, flujo hacia abajo y flujo horizontal.
Cuando el agua fluye hacia arriba a través de los tubos inclinados y el lodo se asienta hacia abajo en la dirección opuesta, esto se llama flujo hacia arriba o contracorriente.
En los clarificadores de flujo hacia abajo, el agua fluye hacia abajo a través de los tubos o placas inclinadas junto con las partículas de sedimentación. Cuando la dirección del flujo del agua y las partículas es la misma, se llama flujo hacia abajo o corriente paralela.
Cuando el agua fluye horizontalmente a través del clarificador, se llama flujo horizontal o flujo cruzado, que solo es aplicable a placas inclinadas.
Ángulo de inclinación
El ángulo entre los tubos inclinados o las placas y el plano horizontal se llama ángulo de inclinación. Un ángulo de inclinación más pequeño da como resultado una velocidad de asentamiento de partículas más baja y, por lo tanto, un mejor rendimiento de asentamiento.
Sin embargo, el ángulo no debe ser demasiado pequeño, porque el lodo debe poder deslizarse hacia abajo automáticamente y ser descargado sin problemas.
| Parámetro | Flujo ascendente | Flujo hacia abajo |
|---|---|---|
| Ángulo de inclinación | 55 grados - 60 grados | 30 grados - 40 grados |
| Longitud de la placa | 0.8 - 1.0 m | Alrededor de 2.5 m |
| Espaciado de placa o tubo | 50 - 150 mm | Alrededor de 35 mm |
| Velocidad de flujo de entrada | Menos de o igual a 0.02 - 0.05 m/s | Similar o ligeramente más alto |
| Longitud de transición | 100 - 200 mm | Similar |
| Número de Reynolds | Alrededor de 200, flujo laminar | Posiblemente un poco más alto |
| Velocidad de asentamiento de partículas | 0.3 - 0.6 mm/s con coagulación | Similar o ligeramente más alto |
Forma y material de las placas y tubos
Para aprovechar el volumen limitado del clarificador, los colonos de tubos inclinados están diseñados con formas seccionales compactas, como formas cuadradas, rectangulares, hexagonales o corrugadas.
Para facilitar la instalación, varios o incluso cientos de tubos se agrupan en un módulo y se instalan múltiples módulos en la zona de asentamiento.
Los materiales deben ser livianos, fuertes, no tóxicos y económicos. Los materiales comunes incluyen papel de panal y láminas de plástico delgadas.
Los tubos de panal suelen estar hechos de papel impregnado curado con resina fenólica, generalmente formado en hexágonos regulares con un diámetro de círculo inscrito de aproximadamente 25 mm.
Las hojas de plástico son típicamente PVC rígido de 0,4 mm de espesor, formado por presión de calor.
Longitud y separación
Cuanto más largos sean los tubos, mayor será la eficiencia de asentamiento. Sin embargo, los tubos excesivamente largos son difíciles de fabricar e instalar, y extender la longitud más allá de cierto punto produce rendimientos decrecientes.
Si los tubos son demasiado cortos, aumenta la proporción de la zona de transición, donde el flujo cambia de turbulento a laminar, reduciendo la longitud de asentamiento efectiva. La longitud de la zona de transición es generalmente 100-200 mm.
La longitud de las placas inclinadas de flujo ascendente suele ser 0.8-1.0 m y no debería ser menor que 0.5 m. Para el flujo hacia abajo, la longitud es de aproximadamente 2.5 m.
En una velocidad de sección transversal constante, el espaciado más pequeño o el diámetro del tubo aumenta la velocidad del flujo interno y la velocidad de carga de la superficie, lo que permite un volumen de clarificador más pequeño.
Sin embargo, los espacios o diámetros muy pequeños aumentan la dificultad de fabricación y el riesgo de obstrucción. En la práctica del tratamiento del agua, el espaciado o diámetro del tubo para los clarificadores de flujo ascendente se sitúa entre 50-150 mm, mientras que para los clarificadores de flujo descendente el espacio de la placa es de aproximadamente 35 mm.
Velocidad de asentamiento
La velocidad del agua dentro de los tubos inclinados es generalmente similar a la velocidad del flujo horizontal de los clarificadores convencionales, aproximadamente 10-20 mm/s.
Cuando se utiliza coagulación, la velocidad de asentamiento de partículas se sitúa aproximadamente entre 0.3-0.6 mm/s.
Criterios de diseño para clarificadores lamelares
Configuración de flujo ascendente
La turbidez del agua cruda debe mantenerse por debajo de 1000 NTU a largo plazo.
La velocidad de carga superficial en la zona de asentamiento de tubo inclinado puede establecerse entre 9.0 y 11.0 m³/(h · m²).
El diámetro del tubo debe ser de 25 a 35 mm, con una longitud de tubo de 1 m. El ángulo de inclinación de los tubos debe ser de 60 grados.
La zona de protección de agua transparente sobre los tubos inclinados no debe ser menor que 1.5 m.
Configuración de flujo hacia abajo
La configuración de flujo hacia abajo es adecuada para agua cruda con turbidez constantemente por debajo de 200 NTU.
La velocidad de carga superficial en la zona de asentamiento de la placa inclinada debe determinarse en función de las condiciones del agua cruda y de la experiencia operativa o los datos de prueba de plantas de tratamiento de agua similares.
En general, la velocidad de carga superficial se sitúa entre 30 y 40 m³/(h · m²). El espaciado de las placas debe ser de 35 mm.
La longitud de la placa en la zona de asentamiento debe ser de 2.0 a 2.5 m, con una longitud de placa en la zona de descarga de lodos no menor que 0.5 m.
El ángulo de inclinación de las placas en la zona de asentamiento es de 40 grados, y en la zona de descarga de lodos es de 60 grados.
Factores que afectan al rendimiento
La sección central del colonizador de tubo inclinado mantiene el flujo laminar, mientras que las secciones de entrada y salida se ven afectadas por los flujos de entrada y salida, lo que provoca algunas alteraciones del flujo.
El flujo de agua dentro del colonizador de tubo inclinado es relativamente estable, lo que ayuda a mejorar la eficiencia de la sedimentación. Dado que la distancia de asentamiento y el tiempo de asentamiento son muy cortos, deben producirse una coagulación y floculación adecuadas antes de que el agua entre en el clarificador.
El flujo estratificado de agua turbia tiene el menor impacto en los clarificadores de flujo ascendente. Por lo tanto, los diseños de flujo ascendente son adecuados para agua de alta turbidez, mientras que los diseños de flujo hacia abajo son mejores para agua de turbidez muy baja.
Turbidez excesiva del efluente
La distribución de flujo desigual en la entrada del clarificador provoca turbulencia severa o alta velocidad de entrada cerca de la entrada. Esto genera velocidades de flujo localmente altas, que pueden resuspender el lodo previamente establecido en los tubos inclinados.
Para lograr una distribución uniforme del flujo, las aberturas de deflectación perforadas en el clarificador lamelar son relativamente pequeñas. Esto puede conducir a velocidades de flujo más altas a través de las aberturas en comparación con los clarificadores horizontales convencionales.
La velocidad elevada puede provocar una rotura secundaria de los flóculos formados y la resuspensión del lodo asentado en la parte inferior de los agujeros de distribución, aumentando así la turbidez del efluente.
Una solución consiste en instalar las placas inclinadas en un ángulo de 60 grados respecto a la horizontal y agregar una fila de placas de ala debajo de cada placa inclinada, también con un ángulo de 60 grados.
Las placas de ala reducen significativamente el número de Reynolds del flujo, mejorando las fuerzas viscosas durante el movimiento del agua, lo que favorece la sedimentación.
También puede agregarse una sección de rectificación de flujo horizontal antes de la zona de asentamiento, de modo que el agua no fluya directamente desde el vertedero de salida hacia el colonizador de tubo inclinado.
Los deflectores de guía de flujo entre las secciones horizontales y las secciones inclinadas pueden aumentar la velocidad hacia arriba dentro de los tubos inclinados y mejorar la eficiencia de asentamiento.
Obstrucción de placas y tubos
Los espacios o diámetros muy pequeños aumentan la dificultad de fabricación y el riesgo de obstrucción. La acumulación de sólidos, fibras o grasas puede reducir el área útil de paso y alterar la distribución del caudal.
La prevención de obstrucciones requiere controlar los sólidos de entrada, mantener una coagulación adecuada, evitar cargas excesivas y establecer procedimientos de inspección y limpieza compatibles con la configuración del módulo.
Selección del clarificador rectangular
La elección de un clarificador de aguas residuales depende de los sólidos, el caudal y el espacio disponible. Estos factores deben analizarse antes de elegir el depósito y el sistema de recogida.
Densidad y sedimentabilidad de los sólidos
Los sólidos densos que se sedimentan rápidamente son adecuados para un clarificador por gravedad. Los sólidos ligeros u oleosos, en cambio, requieren un proceso de flotación.
Un clarificador puede separar materiales sólidos con características diferentes, siempre que puedan depositarse en las condiciones operativas previstas. En las aguas de proceso pueden encontrarse arena y tierra, partículas finas procedentes del lavado de áridos, partículas minerales, polvo generado por procesos industriales, residuos sólidos no disueltos y lodos procedentes de diferentes fases productivas.
La presencia de partículas sólidas en el agua no significa necesariamente que puedan eliminarse completamente mediante la clarificación. Los materiales muy finos, ligeros o difíciles de sedimentar pueden requerir condiciones específicas o fases de tratamiento adicionales.
Caudal y variabilidad
El sistema debe dimensionarse para el caudal máximo con un margen de seguridad. Cuando el caudal y la concentración de sólidos varían a lo largo del día, es conveniente utilizar un sistema de compensación aguas arriba.
La continuidad o variabilidad del proceso influye en la elección de la geometría, la profundidad, el tiempo de retención, el sistema de recogida de lodos y la capacidad de bombeo.
Huella disponible
Cuando el terreno disponible es alargado, el clarificador rectangular permite aprovechar mejor la parcela y simplificar la conexión con los canales de entrada y salida.
Cuando el espacio es muy limitado, un clarificador de láminas ofrece la misma superficie de sedimentación en un espacio mucho menor que un depósito convencional.
Carga superficial
La carga superficial debe ajustarse a la velocidad de sedimentación de los sólidos. Si se fija demasiado alta, los sólidos pueden desbordarse por el vertedero.
El diseño debe considerar el caudal medio, el caudal punta, la concentración de sólidos, la densidad de las partículas y los cambios de calidad del afluente.
Gestión de lodos
Antes de seleccionar el clarificador, debe definirse cómo se van a espesar y deshidratar los lodos recogidos. La eficacia del clarificador depende en gran medida del proceso de tratamiento del lodo que le precede.
El sistema de descarga debe coordinarse con depósitos, bombas, filtros prensa, espesadores, digestores y equipos de deshidratación.
Tratamientos previos y posteriores
La coagulación química realizada en la fase anterior ayuda a que las partículas finas se asienten más rápidamente. En los procesos con floculación, el clarificador debe recibir flóculos suficientemente resistentes para soportar el transporte y la sedimentación.
El agua clarificada puede reincorporarse al proceso productivo, enviarse a un depósito de almacenamiento, someterse a otros tratamientos o gestionarse de forma diferente según las necesidades de la línea.
Aplicaciones
Los clarificadores rectangulares se utilizan en plantas municipales e industriales para reducir los sólidos en suspensión y la turbidez antes o después del tratamiento biológico.
- tratamiento primario de aguas residuales urbanas;
- separación secundaria de lodos biológicos;
- tratamiento de aguas industriales;
- lavado de áridos;
- producción de hormigón;
- actividades extractivas y canteras;
- procesamiento de piedra y minerales;
- recuperación y reciclaje de materiales;
- procesos industriales con aguas de lavado;
- tratamiento de aguas de proceso;
- reutilización del agua clarificada;
- tratamiento terciario y preparación para filtración.
En la industria y la minería, los clarificadores permiten remover sólidos de procesos productivos, recuperar materiales valiosos, reducir contaminantes específicos, preparar el agua para su reutilización industrial, clarificar aguas de proceso, separar minerales finos y tratar aguas de mina.
En la potabilización, se utilizan para remover turbiedad después de la coagulación y la floculación, separar los flóculos formados químicamente y preparar el agua para la filtración final.
Agua clarificada y agua depurada
El agua clarificada es el líquido obtenido después de separar una parte significativa de los sólidos sedimentables. En comparación con las aguas residuales de entrada, presenta una menor cantidad de material en suspensión.
El término «clarificada» no significa necesariamente que el agua esté completamente depurada o lista para su vertido. El destino del líquido depende de su composición, del proceso del que procede y de los requisitos establecidos para su reutilización o descarga.
El clarificador representa, por tanto, con frecuencia una fase intermedia y no necesariamente el punto final del tratamiento.
Mantenimiento y operación
Con mantenimiento adecuado, un clarificador puede operar eficientemente durante 25-30 años. Los componentes mecánicos pueden requerir renovación cada 10-15 años.
El mantenimiento incluye inspección diaria, lubricación semanal de los equipos mecánicos y revisión mensual de desgastes. El sistema es de bajo mantenimiento comparado con otras tecnologías.
Durante la operación deben vigilarse la calidad del afluente, el caudal, la concentración de sólidos, la turbidez del efluente, el estado de los vertederos, la acumulación de lodos, la velocidad de los mecanismos y la aparición de flotantes.
Los componentes ligeros y los sistemas de cadena y banda no metálicos pueden facilitar la instalación y el mantenimiento, reducir la corrosión y evitar la necesidad de lubricación rutinaria en determinados diseños.
Los clarificadores son especialmente aptos para la modernización de instalaciones existentes, ya que pueden adaptarse a las limitaciones de espacio y a los sistemas presentes.
Criterios de diseño resumidos
| Aspecto | Criterio de diseño |
|---|---|
| Principio | Sedimentación gravitacional con velocidad reducida y turbulencia limitada. |
| Configuración | Depósito horizontal y alargado con flujo longitudinal. |
| Entrada | Distribución uniforme y disipación de energía. |
| Zona de sedimentación | Recorrido suficiente para que los sólidos alcancen el fondo. |
| Salida | Vertederos y canales que recojan el efluente uniformemente. |
| Lodos | Rastras, cadenas, bandas o raspadores conectados a una descarga controlada. |
| Flotantes | Deflectores y desnatadores para espumas, grasas y aceites. |
| Control hidráulico | Prevención de cortocircuitos, turbulencias y resuspensión. |
| Selección | Caudal, variabilidad, densidad de sólidos, carga superficial y espacio disponible. |
Un clarificador rectangular correctamente dimensionado e integrado puede contribuir a reducir los sólidos presentes en el agua, obtener un flujo líquido más clarificado, concentrar los residuos en un flujo de lodos separado, favorecer la recuperación de parte del agua de proceso, reducir la carga sobre los equipos posteriores y mejorar el control de los flujos líquidos y sólidos.
tags: #clarificador #rectangular #aguas
Publicaciones populares:
- Cómo optimizar el filtro de aire en la Yamaha R3
- Cómo funciona una depuradora monobloc
- Recetas de caldos depurativos para Thermomix
- Cómo identificar el conector del filtro de aire Club Peugeot
- Señales de que tu FAP necesita limpieza en Toledo