Modernización de plantas de tratamiento de agua con floculadores hiperboloides
La floculación es una etapa crítica en el tratamiento del agua, ya que permite que las partículas en suspensión se agrupen en flóculos más grandes y sedimentables para su eliminación. Una floculación eficaz requiere un equilibrio entre la adición de productos químicos, la energía de mezcla y un bajo cizallamiento para formar flóculos estables. Con el aumento de las presiones normativas y financieras, las empresas de servicios públicos recurren cada vez más a la modernización de las instalaciones existentes para mejorar la eficiencia del tratamiento a un menor coste.
Los flóculos se forman mediante la neutralización de las partículas con carga negativa por parte de los coagulantes, seguida de una mezcla suave para favorecer las colisiones. El éxito depende de la intensidad de la mezcla, medida por el gradiente de velocidad (G), y de la minimización del cizallamiento que puede romper los flóculos. Más allá de los valores G, es esencial comprender la distribución de la energía y la dinámica del flujo dentro de los tanques para optimizar el rendimiento. La dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una herramienta valiosa para evaluar la hidráulica de los tanques, identificar cortocircuitos y modelar el rendimiento de diferentes tecnologías de floculadores.
Entre los floculadores más comunes se encuentran los deflectores hidráulicos, las ruedas de paletas, las vigas móviles, los impulsores de palas y los mezcladores hiperboloides. Los factores clave de evaluación incluyen el mantenimiento, la flexibilidad, la capacidad de ajuste, la energía, la redundancia, la transferencia de energía, el cizallamiento y la calidad de los flóculos.
El floculador hiperboloide aplica principios de dinámica de fluidos para proporcionar una mezcla uniforme con un cizallamiento mínimo. Su cuerpo en forma de hiperboloide acelera los flóculos gradualmente a lo largo de sus nervaduras hasta que la velocidad de las partículas coincide con la velocidad del impulsor, lo que reduce los problemas de cizallamiento en las puntas.
Instalados cerca del fondo de los tanques, los mezcladores hiperboloides crean patrones de flujo radial que barren el suelo del tanque, evitan la acumulación de sedimentos y mantienen los flóculos en suspensión. Los variadores de frecuencia permiten a los operadores ajustar la intensidad de la mezcla en función de los cambios en la calidad del agua. El resultado es una reducción del mantenimiento, un uso optimizado de los productos químicos y una mejora en la formación de flóculos.
Casos prácticos
Annapolis, Maryland (2015)
- Se sustituyeron los impulsores de palas por hiperboloides.
- Resultados: reducción del 30 % en el uso de alumbre, menor necesidad de cal, mejora en la eliminación de hierro (1,0 → 0,5 ppm). Mayor capacidad de tratamiento en un espacio más reducido, mantenimiento mínimo, menor acumulación de sedimentos. El CFD confirmó una mezcla uniforme en todos los caudales.
Figura 1: Comparación de los datos de la antigua y la nueva planta de Annapolis
Figura 2: Un estanque drenado después de la operación en la PTAP de Hickory que muestra poca o ninguna sedimentación
Bellevue, Ohio (2019)
- Se sustituyeron las ruedas de paletas.
- Resultados: mejora de la turbidez, funcionamiento más silencioso, capacidad para alimentar carbón activado en polvo en la fase de floculación.
Hickory, Carolina del Norte (2013)
- Se sustituyeron los impulsores de palas en un tren.
- Resultados: Menor acumulación de sedimentos, turbidez ligeramente inferior (0,22 NTU frente a 0,31 NTU con palas). Los operadores observaron una mejora en la suspensión de sólidos.
Atlanta, Georgia (planta de tratamiento de agua de Chattahoochee)
- La modernización de las ruedas de paletas a hiperboloides inicialmente tuvo un rendimiento inferior al esperado. El CFD reveló un cortocircuito en el tanque; se añadieron deflectores.
- Resultados: mejora espectacular de la turbidez (0,15-0,50 NTU frente a 0,55-0,90 NTU en otros trenes).
Figuras 3 + 4: Antes y después de la modernización de las paletas horizontales en la Planta de Tratamiento de Agua Chattahoochee de la Ciudad de Atlanta, Georgia
Houston, Texas (2020)
- Se sustituyeron las ruedas de paletas.
- Resultados: Reducción significativa de los lodos del tanque (1 pulgada frente a 10 pies). La calidad del agua mejoró, aunque los cambios químicos impidieron la comparación directa de los costes.
Bzenek, República Checa (2007-2009)
- Se compararon las ruedas de paletas con los hiperboloides y luego se realizó una remodelación completa.
- Resultados: Rendimiento óptimo a 10 rpm en todos los mezcladores. Mejora en la eliminación de hierro y manganeso; disminución de la turbidez y el color. Reducción del consumo de energía en un 82 %.
Conclusión
La modernización de los sistemas de floculación requiere un conocimiento holístico de la hidráulica, las propiedades de los flóculos y la distribución de la energía. Las pruebas obtenidas en múltiples instalaciones demuestran que los floculadores hiperboloides proporcionan de forma constante una mejor calidad del agua, un menor uso de productos químicos, un ahorro de energía y un menor mantenimiento. A medida que se endurecen las normativas y se reducen los presupuestos, representan una solución de modernización probada y rentable para el tratamiento moderno del agua.
Por: Jackie Lauer P.E., INVENT Environmental Technologies
