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DEFINICIÓN


La sedimentación consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Es una de las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de aguas residuales. Los términos decantación se utilizan para la sedimentación inducida, siendo la sedimentación de partículas coloidales cuya coagulación ha sido inducida previamente por agentes químicos (hidróxido férrico). (Metcalf,1995)
La decantación es inherente a la coagulación y a la floculación.
La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. A menudo se utilizan para designar la sedimentación los términos de clarificación y espesamiento. Se habla de clarificación cuando hay un especial interés en el fluido clarificado, y de espesamiento cuando el interés está puesto en la suspensión concentrada.

ALIMENTO

AGENTE DE SEPARACIÓN

PRODUCTOS

PRINCIPIO

EJEMPLO

liquido +

solido u otro liquido inmiscible

gravedad

liquido +

solido u otro liquido inmiscible

diferencia de densidad

clarificación de

soluciones oscuras















Las impurezas naturales pueden encontrarse en las aguas según tres estados de suspensión en función del diámetro. Éstos son :

  • Suspensiones hasta diámetros de 10-4 cm.
  • Coloides entre 10-4 y 10-6 cm.
  • Soluciones para diámetros aún menores de 10-6 cm.

A continuación detallaremos un cuadro en el que se presenta a título ilustrativo valores de la "velocidad de sedimentación" correspondiente a partículas de peso específico 2,65 kg./dm.3 y a una temperatura del agua de 10° C, teniendo en cuenta distintos diámetros y los tiempos necesarios para sedimentar 0,3 m
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Del cuadro se puede deducir que en la práctica es necesario establecer un tiempo límite para la sedimentación estableciendo a priori el diámetro mínimo que la estructura podrá remover. Lo contrario implicaría diseñar tanques de sedimentación incompatibles con las posibilidades económicas y aún físicas de los proyectos.


Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida.

  • Sedimentación de partículas discretas
Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de características (forma, tamaño, densidad) durante la caída.
Se denomina sedimentación o sedimentación simple al proceso de depósito de partículas discretas. Este tipo de partículas y esta forma de sedimentación se presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los pre-sedimentadores como paso previo a la coagulación en las plantas de filtración rápida y también en sedimentadores como paso previo a la filtración lenta.

  • Sedimentación de partículas floculentas
Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A diferencia de las partículas discretas, las características de este tipo de partículas —forma, tamaño, densidad— sí cambian durante la caída.Se denomina sedimentación floculenta o decantación al proceso de depósito de partículas floculentas. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de aguas, como proceso intermedio entre la coagulación-floculación y la filtración rápida.

  • Sedimentación por caída libre e interferida
Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se depositan sin interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre. En cambio, cuando hay altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre un depósito masivo en lugar de individual. A este proceso de sedimentación se le denomina depósito o caída interferida o sedimentación zonal.
Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantación con manto de lodos

Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las partículas que sedimentan:


  • Sedimentación Libre
Se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido.
  • Sedimentación por zonas
Se observa en la sedimentación de suspensiones concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes, alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre. La sedimentación se encuentra retardada o impedida. Dentro del sedimentador se desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación.
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Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en los siguientes tipos:
  • Sedimentación intermitente
En el cual el flujo volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar.

  • Sedimentación continua
En el cual la suspensión diluida se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario


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La siguiente presentación explica con más detalle la sedimentación:
SEDIMENTACION










En el siguiente Paper se puede apreciar de mejor manera los tipos de sedimentación y la determinación de parámetros de diseño de un sedimentador continuo:




Sedimentación Acelerada
Para la eliminación de arenas del agua residual se han desarrollado varios aparatos que aprovechan la acción de las fuerzas gravitacionales y la acción de la fuerza centrífuga y las velocidades inducidas. Los principales en los que se basa uno de estos aparatos llamado Teacup separator. Este separador tiene forma de cilindro achatado. El agua residual se introduce tangencialmente cerca del fondo del cilindro y se extrae por la parte superior del mismo, también tangencialmente. La aren se extrae por una abertura dispuesta en el fondo del elemento.
Tipos de Sedimentación

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Sedimentación
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SEDIMENTACIÓN PRIMARIA :v

El primer tratamiento importante que sufren las aguas residuales después de las precedentes fases preliminares es, generalmente, la sedimentación de lossuspendidos en un tanque adecuado en el que se mantienen las aguas por un lapso de 0.5 a 3 horas o más, que es suficiente para permitir que el 40 a 65% de los sólidos finamente divididos, se pose en el fondo del tanque, del cual se extraen por medio de colectores mecánicos, en forma de lodos. La sedimentación primaria es una operación unitaria diseñada para concentrar y remover sólidos suspendidos orgánicos del agua residual. Antaño, cuando se consideraba que el nivel primario era suficiente como único tratamiento, la sedimentación primaria era la operación unitaria más importante de una planta. Su diseño y operación fueron determinantes en la reducción de las cargas deque se disponían en los cuerpos receptores. En la actualidad, los requerimientos de tratamiento a nivel secundario han otorgado a la sedimentación primaria un rol menor. No obstante, muchos de los procesos unitarios de tratamiento secundario son
capaces de manejar los sólidos orgánicos sólo si se ha llevado a cabo una buena remoción de arena y escoria durante el pretratamiento.
La mayor parte de los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales son de naturaleza pegajosa y floculan en forma natural. Las operaciones de sedimentación primaria son esencialmente sin la adición de coagulantes químicos ni operaciones de mezclado mecánico y floculación.

El material orgánico es ligeramente más que el agua y se sedimenta lentamente, normalmente en el intervalo de 1 a 2.5 m/h. Los materiales orgánicos más ligeroprincipalmente grasas y aceites, flotan en la superficie y se deben desnatar.

Tanques de Sedimentación


La sedimentación primaria puede llevarse a cabo en tanques rectangulares alargados o en tanques circulares. En los tanques rectangulares, como el mostrado en la Figura 1, la espuma se retira utilizando unas rastras de lodo que, de manera alternada, después de recorrer el tanque por el fondo, regresan a su punto de partida recorriendo la superficie del agua, lo que se aprovecha para remover la espuma. El material flotante se desplaza de esta manera hasta un sitio donde se colecta, ubicado a cierta distancia hacia atrás del vertedor del efluente, y allí es retirado al pasar sobre un vertedor de espuma o por medio de una rastra transversal.
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Figura 1: Tanque rectangular alargado con rastra para lodo




Por su parte, los circulares cuentan con un brazo desnatador que está unido a la rastra de lodos, como se muestra en las Figuras .2 a 4.

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Figura 2. Tanque sedimentador primario de tipo circular con alimentación por el centro.



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Figura 3. Tanque sedimentador primario de tipo circular, con alimentación por el borde.




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Figura 4. Sedimentador circular, alimentación central con rastras para recolección de lodos





Criterios de Diseño

Los parámetros de diseño para un sedimentador primario se muestran en la siguiente tabla:
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SEDIMENTACIÓN SECUNDARIA

La biomasa generada en el tratamiento secundario constituye una carga orgánica significativa que es necesario remover para que el efluente pueda ajustarse a las normas oficiales. En estanques y lagunas la remoción se logra por sedimentación en el mismo reactor. En los sistemas de lodos activados y de cultivo adherido los sólidos se remueven en sedimentadores secundarios. Debido a que las características de los sólidos biológicos en los sistemas de cultivo suspendido y adherido tienen diferencias significativas, el diseño y operación de los sedimentadores secundarios en estos sistemas también son diferentes. El sedimentador secundario es importante debido a la carga grande de sólidos y a la naturaleza esponjosa del flóculo biológico de los lodos activados. Además, es conveniente que el lodo reciclado haya sido bien espesado.

Factores que influyen en el proceso


Los siguientes factores influyen en el proceso de sedimentación o decantación:

  1. Calidad de agua

Las variaciones de concentración de materias en suspensión modifican, en primer lugar, la forma de sedimentación de las partículas (con caída libre o interferida), así como las propiedades de las partículas modifican la forma de depósito (sedimentación para partículas discretas y decantación para partículas floculentas).
Adicionalmente, variaciones de concentración de partículas o de temperatura producen variaciones de densidad del agua y originan corrientes cinéticas o térmicas que, a su vez, generan cortocircuitos hidráulicos en las unidades. Al entrar agua más fría al sedimentador, la masa de agua se desplaza por el fondo de este y produce el tipo de corriente indicada en la figura que se muestra a continuación:

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Corrientes térmicas


2. Condiciones hidráulicas
Los criterios y parámetros hidráulicos de diseño tienen gran influencia en la eficiencia de los sedimentadores o decantadores. A continuación se detallan los principales:
  • En la zona de sedimentación: En esta zona se debe tener un número de Reynolds lo más bajo posible y el número de Froude más elevado para tender a un flujo laminar y estabilizar el flujo. En esta zona las líneas de flujo no deben encontrarse con ningún tipo de obstrucciones que alteren su trayectoria. Adicionalmente, la presencia de flujo de pistón mejora el proceso y el flujo mezclado no lo favorece.

  • En la zona de entrada: La zona de entrada en un sedimentador es un conjunto de estructuras que debe permitir una distribución uniforme del flujo de agua hacia la zona de sedimentación. En una unidad de sedimentación convencional de flujo horizontal, esta distribución uniforme debe darse a todo lo ancho de la unidad y en profundidad. Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse y su presencia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo en la entrada del sedimentador, o a que los orificios de ingreso sean muy grandes y el movimiento de las paletas del floculador sea tal que comunica demasiada energía al flujo. Al no haber disipación de esta energía en el tabique divisorio (caso de unidades convencionales de flujo horizontal), las masas de agua entran con diferente gradiente de velocidad, creando turbulencias que pueden extenderse dentro de la zona de sedimentación.


  • En la zona de salida: Esta zona se caracteriza por permitir una recolección uniforme de agua sedimentada a una velocidad tal que evite arrastrar flóculos en el efluente. Canaletas de pequeña longitud, mal ubicadas, mal niveladas o impropiamente diseñadas producen cortocircuitos hidráulicos y zonas muertas que pueden inutilizar grandes áreas de los sedimentadores
  • Factores externos: Los factores externos al proceso de sedimentación —acondicionamiento previo (procesos previos a la sedimentación), prácticas operacionales y factores ambientales— son los que tienen más influencia en la eficiencia de un sedimentador o decantador. Buena o inadecuada coagulación y floculación ocasionan, respectivamente, altas o bajas eficiencias en los decantadores. Idéntico comentario cabe realizar acerca de la operación y el estado de la unidad, así como sobre los programas de mantenimiento existentes. A la vez, el viento, al soplar sobre la superficie de los sedimentadores, puede producir corrientes de suficiente intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo y alterar el precario equilibrio de las masas de agua.

APLICACIONES DE LA SEDIMENTACIÓN

Las aplicaciones que hay en la industria alimenticia son:
  • Separación de aceite-alpehín
  • Clarificación de jugos en azucareras
  • Separación de levaduras durante la fermentación de la cerveza
  • Desfangado y clarificación de vinos.
  • Clarificación enzimática
  • Floculación de aguas para bebidas refrescantes
  • Tratamiento de efluentes residuales.

Ventaja: economía energética
Desventaja: espacio, control y tiempo


SEDIMENTADORES EN LOS BIOPROCESOS



Principalmente los sedimentadores son necesarios en sistemas de tratamiento de aguas residuales, ya que las partículas que se encuentran
en el agua pueden ser perjudiciales en los procesos biológicos ya que los inhiben y se depositan en el medio filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua efluente de los filtros.

Especificaciones para el diseño de sedimentadores


Información básica para el diseño


La información básica para el diseño es la siguiente:
a) Caudal de DiseñoLas unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal máximo diario.
b) Calidad fisicoquímico del agua
Dependiendo del la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de pretratamiento y acondicionamiento previo.
c) Características del climaVariaciones de temperatura y régimen de lluvias.

Variables que afectan la sedimentación


a) Corrientes de densidad: son las corrientes que se producen dentro del tanque por efecto de las diferencias de densidad en la masa de agua y son ocasionadas por un cambio de temperatura (térmica) y/o por diferencias en la concentración de las partículas suspendidas en las distintas masas de agua (de concentración).

b) Corrientes debidas al viento
El viento puede producir corrientes de suficiente intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo.

c) Corrientes cinéticas
Pueden ser debido al diseño impropio de la zona de entrada o de salida (velocidad de flujo excesiva, zonas muertas, turbulencias) o por obstrucciones en la zona de sedimentación.
A continuacion se coloca un video donde se muestra un experimento para determinar la velocidad de sedimentacion de los solidos:

















































































Referencias: