Capítulo 4:

 Operaciones físicas (2/5)

5.- Sedimentación

Es una de las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de las aguas. Los términos sedimentación y decantación se utilizan indistinta­mente.

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, en resumen, se fundamenta en una operación física en la que se aprovecha la fuerza de la gravedad que hace que una partícula más densa que el agua tenga una trayectoria descendente, depositándose en el fondo del sedimentador. Esta operación será más eficaz cuanto mayor sea el tamaño y la densidad de las partículas a separar del agua, es decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentación, siendo el principal parámetro de diseño para estos equipos.

Realmente, este tipo de partículas (grandes y densas, como las arenas) se tienen en pocas ocasiones en aguas industriales. Lo más habitual es encontrar sólidos poco densos, por lo que es necesario, para hacer más eficaz la operación, llevar a cabo una coagulación-floculación previa, que como se explicará más adelante, consiste en la adición de ciertos reactivos químicos para favorecer el aumento del tamaño y densidad de las partículas.

La sedimentación puede producirse en una o varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. En ocasiones, la sedimentación es el único tratamiento al que se somete el agua.

En función de la concentración y de la tendencia a la interacción de las partículas, se pueden producir cuatro tipos de sedimentación: discreta, floculenta, retardada (también llamada zonal), y por compresión.

La sedimentación discreta se produce cuando la concentración de sólidos es baja y las partículas sedimentan como entidades individuales. La floculenta se produce en una suspensión bastante diluida donde las partículas se agregan y, como consecuencia de ello sedimentan. La retardada o zonal se refiere a concentraciones intermedias, la sedimentación se produce por la formación de una unidad de masa de partículas. La sedimentación por compresión se origina en suspensiones muy concentradas, de tal forma que se produce una estructura, y ésta solo sedimenta mediante compresión.

En la mayoría de los casos, el objetivo principal es la obtención de un efluente clarificado, pero también es necesario producir un fango cuya concentración de sólidos permita su fácil tratamiento y manejo. En el proyecto de tanques de sedimentación, es preciso prestar atención tanto a la obtención de un efluente clarifi­cado como a la producción de un fango concentrado.

La forma de los equipos donde llevar a cabo la sedimentación es variable, en función de las características de las partículas a sedimentar (tamaño, forma, concentración, densidad, etc.).

- Sedimentadores rectangulares: La velocidad de desplazamiento horizontal del agua es constante y se suelen utilizar para separar partículas densas y grandes (arenas). Este tipo de sedimentación se denomina discreta, dado que las partículas no varían sus propiedades físicas a lo largo del desplazamiento hacia el fondo del sedimentador. Suelen ser equipos poco profundos, dado que, al menos teóricamente, este parámetro no influye en la eficacia de la separación, siendo el principal parámetro el área horizontal del mismo.

- Sedimentadores circulares: Son más habituales. En ellos el flujo de agua suele ser radial desde el centro hacia el exterior, por lo que la velocidad de desplazamiento del agua disminuye al alejarnos del centro del sedimentador. Esta forma de operar es adecuada cuando la sedimentación va acompañada de una floculación de las partículas, en las que el tamaño de flóculo aumenta al descender las partículas, y por lo tanto aumenta su velocidad de sedimentación.

- Sedimentadores lamelares: Han surgido como alternativa a los sedimentadortes poco profundos, al conseguirse una mayor área de sedimentación en el mismo espacio. Consisten en tanques de poca profundidad que contienen paquetes de placas (lamelas) o tubos inclinados respecto a la base, y por cuyo interior se hace fluir el agua de manera ascendente. En la superficie inferior se van acumulando las partículas, desplazándose de forma descendente y recogiéndose en el fondo del sedimentador.

Asimismo, los sedimentadores (también llamados clarificadores o decantadores) se pueden clasificar según su fondo en: fondo poco inclinado, fondo inclinado, fondo con pozos en forma de tolva. Y según el sentido del flujo: horizontal y vertical.

Las partículas depositadas en el fondo de los equipos (denominados fangos) se arrastran mediante rasquetas desde en fondo donde se “empujan” hacia la salida. Estos fangos, en muchas ocasiones y en la misma planta de tratamiento, se someten a distintas operaciones para reducir su volumen y darles un destino final. Los sedimentadores según el sistema de eliminación de lodos se clasifican en: mecanizados y de limpieza manual.

La sedimentación, como se ha visto, se produce debido a la acción de la fuerza de la gravedad dentro de un campo de aceleraciones constante. La eliminación de partículas sedimentables también puede llevarse a cabo aprovechando las propiedades de un campo de acelera­ciones variable (sedimentación acelerada).

Para la eliminación de arenas del agua se han desarrollado numerosos aparatos que aprovechan tanto la acción de las fuerzas gravitacionales, como la acción de la fuerza centrífuga y las velocidades inducidas. En estos principios se basa uno de estos aparatos, conocido como Teacup separator (separador en forma de taza de té). A primera vista, el 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 arena se extrae por una abertura dispues­ta en el fondo del elemento.

Dentro del separador, debido a que la parte superior está cerrada el flujo giratorio crea un vórtice libre. La principal característica de un vórtice libre es que el producto de la velocidad tangencial por el radio es constante.

donde V = velocidad tangencial, m/s

 r = radio, m.

Por tanto, cuanto menor sea el radio en el separador, mayor será la velocidad tangencial en esos puntos, y mayor será la fuerza centrífuga. De hecho, la reduccióndel radio a una quinta parte de su valor inicial, implica multiplicar por 125 el valor de la fuerza centrífuga.

Debido a la magnitud de la fuerza centrifuga en la proximidad de la abertura de salida de las arenas, algunas partículas quedarán retenidas en el interior del vórtice libre mientras que otras escapan con el flujo de salida del aparato. Este diferente comportamiento de las partículas depende de su tamaño, densidad y resistencia al arrastre: las partículas de arena quedarán retenidas, mientras que las partículas orgánicas quedarán libres y saldrán del separador por la parte superior del mismo. La velocidad de sedimentación de una partícula de arena suele ser del orden de magnitud entre cuatro y ocho veces más grande que una partícula orgánica, con lo que las fuerzas de arrastre de las partículas orgánicas serán entre 16 y 64 veces superiores. Esto provoca que las partículas orgánicas tiendan a moverse solidarias con el fluido y sean transportadas fuera del separador. Las partículas retenidas en el vórtice acabarán sedimentando debido a la acción de la fuerza de la gravedad.

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