Los floculadores y sedimentadores son el corazón del tratamiento convencional de agua potable. Un diseño deficiente de estas unidades compromete la calidad del agua tratada, genera costos operativos elevados y puede causar incumplimientos de los parámetros de la Resolución 2115. Conocer los principios de diseño y los parámetros de la Resolución 0330 es fundamental para el ingeniero que formula o diseña una PTAP en Colombia.
Diseño de floculadores hidráulicos
Los floculadores hidráulicos de deflectores (compartimentos con tabiques que inducen flujo serpentino) son los más comunes en Colombia por su bajo costo de operación y mantenimiento. El parámetro de control es el gradiente de velocidad G:
G = √(γ · hf / μ · t)
Donde γ es el peso específico del agua (9.810 N/m³), hf es la pérdida de carga en el floculador (m), μ es la viscosidad dinámica del agua (Pa·s, varía con la temperatura) y t es el tiempo de retención (s).
El criterio de diseño es que el producto G·t (valor de Camp) esté entre 10.000 y 100.000, con valor óptimo en 50.000–70.000 para agua de turbiedad media (20–200 NTU). Este valor garantiza la colisión suficiente de partículas sin romper los flóculos formados.
Procedimiento de diseño del floculador hidráulico
- Seleccionar tiempo de retención: t = 20–40 minutos (recomendado 30 minutos según Resolución 0330).
- Calcular el volumen del floculador: V = Q × t.
- Dividir en 3 compartimentos con G decreciente: G1 = 60 s⁻¹, G2 = 35 s⁻¹, G3 = 15 s⁻¹.
- Calcular la pérdida de carga en cada compartimento: hf = G² × μ × t / γ.
- Verificar que G·t total ≥ 50.000.
Diseño de sedimentadores de flujo horizontal
El sedimentador de flujo horizontal es la unidad más robusta y de mejor comportamiento ante variaciones de caudal. Su principio de operación es la teoría de Hazen: una partícula se sedimenta si su velocidad de caída v_s supera la tasa de desbordamiento superficial Q/As.
Parámetros de diseño según Resolución 0330
- Tasa de desbordamiento superficial (TDS): 20–60 m³/m²·día para sedimentadores convencionales. Se recomienda 30–45 m³/m²·día para agua de alta turbiedad (≥100 NTU).
- Tiempo de retención hidráulica (TRH): mínimo 2 horas, recomendado 3–4 horas para una buena eficiencia de remoción.
- Relación largo:ancho: L/W entre 3:1 y 5:1 para garantizar flujo pistón y minimizar cortocircuitos hidráulicos.
- Profundidad útil: 2.5 a 4.0 m de zona de sedimentación más el volumen de lodos acumulados.
- Velocidad horizontal del flujo: máximo 0.5 m/min para evitar el arrastre de flóculos sedimentados.
Ejemplo de dimensionamiento para Q = 15 L/s
Para una PTAP que trata un caudal de diseño de 15 L/s (1.296 m³/día):
- Área superficial requerida: As = Q / TDS = 1.296 / 40 = 32.4 m² → usar 2 sedimentadores de 18 m² cada uno (6m × 3m).
- Profundidad útil de sedimentación: H = TRH × Q / As = (3h × 3.600s × 0.015m³/s) / 32.4 = 5.0 m
- Velocidad horizontal: v = Q / (W × H) = 0.015 / (3 × 5) = 0.001 m/s = 0.06 m/min ≪ 0.5 m/min ✓
Eficiencia de remoción de turbiedad
La eficiencia de remoción de turbiedad en el sedimentador depende del tamaño y densidad de los flóculos formados en la floculación. Un buen flóculo (diámetro 0.5–2.0 mm, densidad 1.02–1.05 g/cm³) tiene velocidad de sedimentación de 0.5–2.0 mm/s según la Ley de Stokes, lo que permite tasas de desbordamiento de hasta 60 m³/m²·día manteniendo eficiencias de remoción de turbiedad superiores al 90%.
En la práctica, los sedimentadores bien diseñados deben producir agua con turbiedad inferior a 5 NTU a la salida, para que los filtros de arena puedan reducirla a menos de 1 NTU antes de la desinfección.
Sedimentadores de alta tasa (SAT)
Para instalaciones con espacio limitado, los sedimentadores de alta tasa con módulos laminares (tubos o placas inclinadas) permiten aumentar la tasa de desbordamiento a 120–200 m³/m²·día, reduciendo el área de sedimentadores hasta en un 70% respecto al diseño convencional. Son recomendados por la Resolución 0330 para ampliaciones de PTAP existentes o instalaciones con restricciones de espacio.
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