Un tanque, dos cargas
Un tanque de sedimentación recibe dos cosas a la vez. Recibe un caudal, que es una carga hidráulica, y recibe una masa de sólidos suspendidos, que es una carga de sólidos. Los tratamientos que se ocupan de la primera se describen con una tasa de carga hidráulica; los que se ocupan de la segunda se describen con una tasa de carga de sólidos. Un tanque tiene que ser adecuado para ambas, y no son el mismo cálculo.
La medida hidráulica de un tanque de sedimentación es su carga hidráulica superficial: el caudal que pasa por el tanque dividido entre el área en planta del tanque, expresada en metros cúbicos por metro cuadrado por día, o en galones por minuto por pie cuadrado en la otra convención habitual. La misma cantidad también se llama tasa de desbordamiento, y cuando se describe una planta en términos de su carga hidráulica superficial en el tratamiento de aguas residuales, esa es la cifra que se cita.
Las unidades son lo que hay que notar. Los metros cúbicos por metro cuadrado por día se reducen a metros por día, que es una velocidad. La carga hidráulica superficial es la velocidad vertical a la que el agua asciende por el tanque, y puede compararse directamente con la velocidad a la que sedimenta una partícula. Esa comparación es toda la base del diseño de un tanque de sedimentación.
Por qué el área superficial fija la eliminación y la profundidad no
Tómese un tanque en reposo, sin cortocircuitos hidráulicos y que contiene partículas de una sola velocidad de sedimentación. Una partícula se elimina si alcanza la zona de lodos antes de alcanzar la salida. Una partícula cuya velocidad de sedimentación es mayor que la tasa de desbordamiento llega allí desde cualquier profundidad de partida, incluida la superficie. Una partícula que sedimenta más despacio que la tasa de desbordamiento solo llega si comienza lo bastante abajo en el tanque, así que solo se elimina una parte de esa clase de tamaño, en la proporción de su velocidad de sedimentación respecto de la tasa de desbordamiento.
De ahí se siguen dos conclusiones, y ambas son contraintuitivas la primera vez que se encuentran. La primera es que la fracción eliminada depende del área superficial y no de la profundidad: hacer el tanque más profundo deja la tasa de desbordamiento sin cambios y no elimina más de esa clase de tamaño. La segunda es que la tasa de desbordamiento, y no el tiempo de residencia, es el número de diseño para la eliminación. La profundidad también se compra y se paga, pero por otras razones: aporta tiempo de residencia para que la floculación continúe en el tanque, almacena lodo entre operaciones de deslodado y mantiene el manto de lodos alejado del vertedero de salida.
Un tanque real se aparta del ideal. La turbulencia de entrada, las corrientes de densidad por diferencias de temperatura, el viento y la floculación que ocurre cuando las partículas se encuentran mejoran o estropean la predicción, y una entrada bien diseñada puede eliminar más de lo que dice el cálculo ideal. El número de diseño sigue siendo la tasa de desbordamiento, porque es la cantidad en torno a la cual tiene que organizarse la geometría del tanque.
La carga hidráulica superficial en el tratamiento de aguas residuales, según el servicio
Las cifras de partida que se citan habitualmente para los clarificadores primarios se sitúan del orden de 30 a 50 metros cúbicos por metro cuadrado por día, que son aproximadamente 0.8 a 1.2 galones por minuto por pie cuadrado, con caudal promedio. Los clarificadores secundarios admiten cifras más bajas, del orden de 16 a 32 metros cúbicos por metro cuadrado por día, o aproximadamente 0.4 a 0.8 galones por minuto por pie cuadrado. Léanse como un método de partida y no como una especificación. Los dos servicios difieren porque los sólidos difieren: el lodo primario es denso y con arena, mientras que el lodo activado es un flóculo ligero e hidratado que sube con el agua si se le exige demasiado al tanque.
Cómo determinar la cifra que aplica a su tanque: el área se deriva del caudal que el tanque tiene que pasar y de la tasa de carga que se le permite, y el valor permitido se deriva a su vez de la sedimentabilidad del lodo que la planta produce realmente. Una planta cuyo lodo sedimenta bien puede operarse con una tasa más alta que una cuyo lodo es filamentoso, con el mismo servicio y el mismo tanque. Por eso la cifra se verifica en la planta en lugar de copiarse de una tabla.
Dónde la tasa de carga hidráulica es un número diferente
Los dos términos se usan a menudo como sinónimos y, en un tanque de sedimentación, normalmente son el mismo número. La tasa de carga hidráulica en el tratamiento de aguas residuales es el término más general y, en un filtro, significa algo completamente distinto: el caudal que pasa por una unidad de área del lecho, incluida el agua usada para retrolavarlo, así que la cifra que se cita para un filtro es un caudal total procesado y no una velocidad de sedimentación instantánea.
El punto donde la distinción importa en una planta biológica es el clarificador secundario, porque el caudal que lo atraviesa no es el caudal de la planta. El lodo activado de recirculación se extrae del fondo del clarificador, se bombea de vuelta al tanque de aireación y vuelve a llegar al clarificador con el licor mezclado. La carga hidráulica superficial de un clarificador secundario se calcula, por lo tanto, sobre el caudal de la planta más el caudal de recirculación, y una cifra calculada solo sobre el caudal de la planta subestima por un amplio margen la carga sobre el tanque. Es una de las razones por las que una planta cuya tasa de desbordamiento parece cómoda sobre el papel pierde sólidos en servicio.
Hay una tercera tasa en la misma familia, y es la que sorprende a un tanque con área suficiente y borde insuficiente: la tasa de carga sobre el vertedero del clarificador, el caudal por unidad de longitud del vertedero de efluente, en metros cúbicos por metro por día. El agua que acelera hacia un vertedero corto arrastra sólidos hacia la salida, así que un clarificador puede cumplir su carga hidráulica superficial y aun así producir un efluente deficiente.
El caudal de punta es donde se pone a prueba la cifra
Un tanque de sedimentación se dimensiona para el caudal que tiene que pasar en el peor momento, no para su promedio anual. La tabla del factor de punta convierte el caudal de tiempo seco de una comunidad en un factor de punta, y el área superficial tiene que ser adecuada en esa punta. El comportamiento intermedio también importa: una punta diurna de unas pocas horas es un servicio distinto de una punta por tiempo de lluvia sostenida durante un día, y una planta que sedimenta perfectamente con caudal promedio puede perder su manto en cualquiera de las dos.
Los sólidos llegan con el caudal y no independientemente de él, y por eso la punta tiene que verificarse dos veces. Una punta de caudal con una concentración de sólidos estable eleva la carga hidráulica sobre el tanque; una punta de caudal que además trae una punta de sólidos eleva ambas, y es la combinación la que decide el área. Cuando las dos puntas coinciden, el tanque se dimensiona por la que de las dos cargas restrinja primero.
Los otros techos: la tasa de carga de sólidos de un clarificador secundario
La tasa de carga de sólidos de un clarificador secundario es normalmente la restricción determinante. Es la masa de sólidos suspendidos aplicada por unidad de área superficial por unidad de tiempo, en kilogramos por metro cuadrado por hora, y la soporta el sistema de recirculación de lodos tanto como el tanque. Un tanque dimensionado para cumplir su tasa de desbordamiento puede seguir siendo demasiado pequeño para transportar los sólidos, y el valor que aplica se determina a partir de las características de sedimentación del lodo que la planta desarrolla y no de una tabla.
Las dos restricciones interactúan a través del lodo. Una planta que eleva su concentración de licor mezclado para tratar más carga en el mismo volumen de aireación envía más sólidos al clarificador, lo que eleva la tasa de carga de sólidos y la profundidad del manto, y puede obligar a una tasa de desbordamiento más baja como compensación. Dicho al revés: la concentración que una planta puede transportar está limitada por el clarificador, y el clarificador está limitado por un área que quedó fijada cuando se construyó.
Errores comunes
- Calcular la carga hidráulica superficial de un clarificador secundario solo sobre el caudal de la planta y dejar fuera el caudal de lodo de recirculación.
- Comprar profundidad en lugar de área cuando a un tanque le falta eliminación, cuando la profundidad no cambia en absoluto la tasa de desbordamiento.
- Dimensionar con el caudal promedio y verificar la punta después, en lugar de dimensionar con la punta y confirmar el promedio.
- Cumplir la carga hidráulica superficial e ignorar la tasa de carga de sólidos, que es la restricción que normalmente decide un clarificador secundario.
- Dejar la longitud del vertedero fuera del diseño, de modo que un tanque con área adecuada arrastra sólidos por encima de un vertedero corto.
- Citar una tasa de carga sin decir sobre qué caudal se calculó, lo que hace que la cifra sea inutilizable para comparar.
- Tratar la tasa de carga como una propiedad del tanque y no del lodo que la planta produce en él.
Autoverificación antes de fijar el área
- ¿El caudal de diseño se declara como promedio, punta y punta con recirculación, en lugar de como una sola cifra?
- ¿La carga hidráulica superficial de un clarificador secundario se calcula sobre el caudal de la planta más el caudal de recirculación?
- ¿Se ha verificado también la tasa de carga de sólidos, a partir de la concentración de licor mezclado y de la tasa de recirculación con la que operará la planta?
- ¿Se conoce la longitud del vertedero y la tasa de carga sobre el vertedero está dentro de lo que permite el servicio?
- ¿Se conoce la sedimentabilidad del lodo que producirá la planta, o se ha supuesto una tasa de carga para un lodo que no sedimentará tan bien?
- ¿La cifra se cita junto con el caudal sobre el que se calculó, para que la siguiente persona que la use pueda compararla con la suya?
- ¿Se ha verificado el tanque en la hora de punta en tiempo de lluvia, así como en la hora de punta del día de tiempo seco?
- Cuando se usan dos tanques en paralelo, ¿se confirma el reparto de caudal entre ellos, dado que un reparto desigual carga un tanque por encima del número para el que se dimensionó el par?
De una tasa de desbordamiento a un tanque
La tasa de desbordamiento fija el área de un tanque de sedimentación; la profundidad, la recolección de lodos y el vertedero se derivan después del servicio y del lodo. Una vez fijada el área, la tabla de volumen de tanque y TRH convierte el tiempo de residencia que el proceso necesita en un volumen de tanque, que es un cálculo distinto sobre el mismo tanque. Las páginas de equipos de sedimentación y clarificación cubren las formas de tanque que se construyen en torno a esa área, desde los sedimentadores de placas inclinadas y de tubos que añaden superficie de sedimentación dentro de una huella pequeña hasta los rastrillos que mueven el lodo hasta el punto de extracción. Qué área, profundidad y carga de sólidos ofrece una unidad compacta con su caudal se confirma con la fábrica para su caudal de diseño y su carga de sólidos suspendidos, en lugar de suponerse de una tabla.