Por qué el desarenado de aguas residuales va al frente

Qué son las arenas

Las arenas son la fracción del caudal de entrada que es densa, en gran parte inorgánica y no se descompone: arena, grava, ceniza, vidrio, cáscaras de huevo, semillas y los residuos de comida más pesados. Lo que las define como arenas es su velocidad de sedimentación y no su tamaño: caen mucho más rápido que una partícula orgánica del mismo tamaño, y esa diferencia es lo que aprovecha el proceso. El valor de diseño que se cita habitualmente es la remoción de partículas hasta aproximadamente 0.2 mm con una densidad relativa cercana a 2.65, y debe leerse como un método de partida y no como una especificación, porque la distribución de tamaños en un alcantarillado real es específica de cada sitio.

El desarenado no es la misma función que el cribado. Una rejilla retira lo que es grande, lo que flota y lo que se enreda —trapos, toallitas, palos— y lo hace por tamaño. El desarenado retira lo que es denso y pequeño, por velocidad de sedimentación. La página de rejillas y microfiltración cubre la primera función; este artículo cubre la segunda.

Cuánta arena verá una planta no puede deducirse de una cifra nacional. Un alcantarillado separativo que sirve a viviendas produce una fracción de lo que produce un alcantarillado combinado en una ciudad que echa arena en sus calles, y las obras aguas arriba pueden multiplicarlo de nuevo. La respuesta práctica es medirlo: registrar la arena retirada por volumen tratado a lo largo de un año completo y dimensionar el equipo de manejo para la cifra más alta.

Por qué el desarenado de aguas residuales va primero

Una planta puede operar durante años sin desarenador y aun así cumplir sus límites de vertido. El desarenado se coloca sin embargo al frente, porque lo que una planta no puede hacer es evitar pagar por la arena en algún otro punto. Los costos llegan por cinco vías.

• Bombas. La arena es abrasiva: desgasta impulsores, carcasas y sellos mecánicos, y acorta el intervalo entre reparaciones generales de las bombas que conducen todo el caudal.
• Tanques y canales. La arena sedimenta dondequiera que cae la velocidad: curvas de canales, el fondo de un tanque de aireación, las esquinas de un tanque. El volumen que ocupa es volumen de tratamiento ya pagado que no puede usarse, y retirarla después obliga a sacar el tanque de servicio.
• Líneas de lodos y volumen del digestor. La arena viaja con los lodos y se acumula en un digestor hasta que hay que limpiarlo, lo cual es costoso y deja la unidad fuera de servicio.
• Equipos de deshidratación. Los paños filtrantes, los tornillos sinfín y las bandas no toleran la arena, y el modo de falla es el desgaste y no una advertencia.
• Disposición final. La arena que ya se retiró todavía debe manejarse y disponerse, y la arena que es en su mayor parte materia orgánica y agua es volumen que se paga por mover dos veces.

El último punto explica por qué la extracción debe ir seguida de lavado o clasificación: un contenedor de arenas que huele mal y es mitad materia orgánica ha metido en el volquete varias veces su propio peso en material orgánico.

Dónde se ubica el desarenador en una planta de tratamiento de aguas residuales

El desarenador en una planta de tratamiento de aguas residuales forma parte de la obra de llegada, y su posición se decide por dos cosas: debe estar delante del equipo que protege y donde el caudal todavía tiene energía suficiente para ser controlado. La secuencia habitual es cribado grueso, cribado fino, el desarenador, medición de caudal y después el tren de proceso. Cuando el caudal debe elevarse desde un cárcamo de llegada, el desarenador se coloca delante de esas bombas si el trazado lo permite.

De ello se derivan dos consecuencias. Retirar la arena aguas arriba de las bombas cambia la selección de bombas, y donde la arena no puede retirarse primero las bombas tienen que tolerarla. La obra de llegada es además un solo diseño hidráulico y no tres: rejillas, desarenador y medición de caudal comparten un canal, un nivel de agua y un conjunto de velocidades, y un cambio en cualquiera de ellos desplaza a los demás.

Desarenador aireado en el tratamiento de aguas residuales, y las alternativas

Los tipos de desarenador difieren en cómo mantienen la sedimentación de la arena mientras mantienen la materia orgánica en suspensión.

• Desarenador de flujo horizontal. Un canal largo con velocidad controlada y una tolva de arenas en el extremo final. La velocidad debe ser lo bastante baja para que la arena sedimente y lo bastante alta para arrastrar los sólidos orgánicos, una banda estrecha de la que el caudal no deja de salirse.
• Desarenador aireado en el tratamiento de aguas residuales. El aire liberado a lo largo de un costado hace girar el caudal en espiral, de modo que la arena se lanza hacia el exterior y sedimenta mientras la materia orgánica más ligera sigue su curso. El aire también lava la arena. El caudal de aire debe ajustarse al caudal de agua: con un caudal de aire equivocado, el desarenador o deja pasar la arena o sedimenta materia orgánica junto con ella.
• Desarenador de vórtice. Se hace rotar el caudal en un tanque cónico, y la arena se concentra en el fondo, desde donde se extrae una pequeña cantidad. Los diseños de uso común dejan pocas o ninguna parte móvil por debajo de la línea de agua, por lo que son populares en sitios sin personal.
• Tanque de detritos y unidades combinadas. Un desarenador y un clasificador en una sola unidad, o cribado y desarenado en un único canal fabricado. A menudo la respuesta correcta donde la obra de llegada debe ser compacta o debe llegar como un paquete.

La elección se deriva del rango de caudal, de la arena esperada y de la atención del operador que el sitio puede dar, y no de cuál tipo es el más común: un desarenador que necesita un controlador de velocidad, un raspador de grasas y una revisión diaria encaja mal en un sitio sin nadie.

Dimensionar un desarenador, y las dos velocidades en tensión

La premisa del desarenado es un compromiso que el diseño debe declarar: retirar las partículas densas hasta un tamaño elegido y dejar pasar todo lo más ligero hacia la etapa biológica. Dos velocidades están en tensión. Demasiado lenta, y los sólidos orgánicos sedimentan junto con la arena y el sistema de manejo recibe una carga que no puede lavar; demasiado rápida, y la arena pasa de largo y el desarenador no hace nada.

Las cifras que se citan habitualmente para un desarenador de flujo horizontal son una velocidad horizontal del orden de 0.3 m/s con un tiempo de retención del orden de 40 a 60 segundos. Deben leerse como un método de partida y no como una especificación. Describen un desarenador que maneja un caudal cercano a su valor de diseño: a la mitad de ese caudal la velocidad se reduce a la mitad, la materia orgánica sedimenta y el desarenador rinde peor que en la punta. Por eso la punta, y no el promedio, es la cifra contra la que se verifica un desarenador, y el gráfico del factor de punta Kz cubre cómo un promedio se convierte en una punta.

Cómo determinar las cifras para un sitio: sedimentar una muestra del material que llega a la obra de llegada y leer de ella la distribución de tamaños y la densidad relativa. Cuando el alcantarillado es poco común —un sistema combinado que arrastra arena de las calles, o una cuenca con obras aguas arriba— esa medición cambia la respuesta más que cualquier tabla, y el mecanismo de extracción, la pendiente de la tolva y el clasificador se dimensionan entonces con la misma cifra.

La obra de llegada de aguas residuales como una sola función

La obra de llegada de aguas residuales es el único punto de una planta donde el caudal todavía está crudo y nada aguas abajo ha sido protegido aún. El cribado, el desarenado, la remoción de grasas donde se necesita y la medición de caudal se tratan habitualmente como un solo diseño, porque comparten el mismo canal y el mismo nivel de agua, y porque el modo de falla de cada uno es una carga que pasa al siguiente. La separación entre barras de una rejilla cambia lo que llega al desarenador; el nivel del fondo del desarenador cambia la carga disponible para el resto de la planta.

Cuando la obra de llegada debe ser compacta, o llegar como una unidad fabricada en planta, las funciones suelen combinarse en un único canal fabricado. La página de rejillas y microfiltración describe el lado de cribado de ese arreglo, incluida la rejilla de barras mecánica y el microfiltro rotativo que va detrás.

Errores comunes

• Dimensionar el desarenador con el caudal promedio. Es menos eficaz con caudal bajo, donde sedimenta la materia orgánica, y menos protector con caudal alto, donde la arena pasa de largo.
• Tratar el desarenado de aguas residuales como cribado. Las dos funciones retiran material diferente, y un desarenador diseñado como rejilla no hace ninguno de los dos trabajos.
• Dejar el lavado y la clasificación fuera del alcance. La arena que sale con materia orgánica dentro es volumen, olor y costo de disposición.
• Diseñar el desarenador sin el equipo de manejo de arenas: el clasificador, el drenaje, el volquete y el espacio para trabajar.
• Ignorar las grasas: llegan con la arena, recubren el mecanismo de extracción y el clasificador, y necesitan una decisión propia.
• Tomar una cifra de carga de arenas de otro proyecto: el tipo de alcantarillado, el arenado de las calles y las obras aguas arriba la mueven por un factor y no por un porcentaje.
• Olvidar el acceso de mantenimiento, cuando el desarenador es una de las pocas unidades que una planta espera abrir y vaciar.

Autoverificación antes de fijar el desarenador

• ¿La punta contra la que se verifica el desarenador es la punta de esta planta?
• ¿Se ha verificado el caso de caudal bajo además del caso de caudal alto?
• ¿El objetivo de remoción se expresa como un tamaño de partícula y una densidad relativa, y no como un tipo de desarenador?
• ¿La cifra de carga de arenas se basa en este alcantarillado y se midió en lugar de suponerse?
• ¿El desarenador en la planta de tratamiento de aguas residuales está aguas arriba de las bombas que protege, y si no, las bombas están seleccionadas para tolerar la arena?
• ¿La arena se lava o se clasifica antes de ir al contenedor, y se contabiliza el agua de lavado?
• ¿Hay una decisión sobre las grasas, y un lugar al que vayan las grasas?
• ¿Se ha verificado la obra de llegada de aguas residuales como un solo diseño hidráulico, en términos de la carga que le cuesta al resto de la planta?

De la obra de llegada al tren de proceso

La obra de llegada existe para entregar al proceso un caudal que pueda tratar: sin trapos, sin arena, sin grasas y con un régimen que la siguiente unidad pueda aceptar. La página de rejillas y microfiltración cubre la función de cribado, las páginas de sedimentación cubren la función de sólidos sedimentados que va detrás, y la guía de selección y dimensionamiento de plantas toma el caudal de diseño y la norma de vertido y los convierte en un tren. Cuando toda la obra de llegada se compra como una sola unidad fabricada, la disposición del desarenador, la función de manejo de arenas y el agua de lavado necesaria se confirman con la fábrica para su caudal de diseño y su tipo de alcantarillado, en lugar de suponerse de una tabla.