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El modesto tanque Imhoff: fundamentos y diseño

  • modesto tanque Imhoff: fundamentos y diseño

Sobre el blog

Juan José Salas
MÉDICO DEL AGUA y DOCTOR EN QUÍMICA. Director de Servicios Tecnológicos de la Fundación CENTA. 38 años de experiencia en el tratamiento de las aguas residuales, especialmente de los vertidos generados en las pequeñas aglomeraciones urbanas.
Global Omnium

Medio siglo más joven que la humilde fosa séptica, el modesto tanque Imhoff fue desarrollado y patentado en 1906 por el ingeniero alemán Karl Imhoff. Muy conocido también por su famoso cono, de tanta aplicación en el seguimiento de las etapas de sedimentación en las plantas de tratamiento de aguas residuales.


Karl Imhoff junto a su famosos conos.

Fundamentos

Los tanques Imhoff se emplean como tratamiento primario de las aguas residuales, reduciendo su contenido en sólidos en suspensión, tanto flotantes como sedimentables.

Constan de un único depósito, en el que se disponen dos zonas diferenciadas: la zona de sedimentación, que se sitúa en la parte superior, y la zona de digestión de lodos, que se ubica en la zona inferior del depósito.


Sección transversal de un tanque Imhoff.

 


En el funcionamiento de un tanque Imhoff se dan procesos físicos y biológicos, similares a los que tienen lugar en las fosas sépticas:

  • Procesos físicos: las aguas a tratar ingresan en la zona de sedimentación y, por la acción de la gravedad, los sólidos sedimentables abandonan esta zona y se van acumulando, en forma de lodos, en la zona de digestión. Por su parte, los flotantes, incluyendo aceites y grasas, se acumulan en la superficie de la zona de sedimentación, que cuenta con bafles, a la entrada y a la salida, para impedir que estos flotantes escapen con los efluentes tratados.

Vista superior de un tanque Imhoff.

  • Procesos biológicos: la fracción orgánica de los sólidos sedimentables que se acumulan en la zona de digestión experimentan reacciones de degradación vía anaerobia, licuándose, reduciendo su volumen hasta en un 40% (EPA, 2002) y desprendiendo biogás, mezcla de metano y dióxido de carbono, principalmente.

La especial configuración de la apertura que comunica las zonas de sedimentación y de digestión impide el paso de gases y partículas de lodos desde la segunda a la primera, con lo que se evita que los gases, que se generan en la digestión, afecten a la decantación de los sólidos sedimentables, tal y como ocurre en el caso de las fosas sépticas. Desde este punto de vista, se puede afirmar que los tanques Imhoff vienen a ser fosas sépticas mejoradas.

Los tanques Imhoff vienen a ser fosas sépticas mejoradas


Fosa séptica vs. tanque Imhoff.

En los tanques Imhoff se dan, de forma conjunta, los procesos de decantación (zona de sedimentación) y espesamiento y digestión de lodos (zona de digestión). En cierto modo, viene a ser como si a un sedimentador primario le colocásemos debajo un depósito para la acumulación y digestión de los lodos sedimentados, lo que evita su extracción de forma continuada.


Símil del sedimentador primario con depósito de lodos.

La importante reducción de volumen que experimenta la materia orgánica en la zona de digestión (hasta el 40%), permite espaciar en el tiempo las operaciones de extracción de los lodos acumulados. Por lo tanto, se trata de otra de las tecnologías de tratamiento que nos libera (temporalmente) de la “esclavitud de los lodos”.

En lo referente a los rendimientos de depuración que se alcanzan en los tanques Imhoff, estos se muestran en tabla adjunta:

Se observa, que con el empleo de tanques Imhoff tan sólo se alcanzan niveles de tratamiento primario, por lo que los efluentes de los mismos precisan ser sometidos a tratamientos posteriores, al objeto de cumplir los requisitos de las normativas de vertido.

Diseño de los tanques Imhoff

En los tanques Imhoff se dimensionan independientemente las zonas de sedimentación y de digestión de lodos.

Zona de sedimentación

Los parámetros para el diseño de la zona de sedimentación son:

  • La carga hidráulica
  • El tiempo de retención hidráulica

La carga hidráulica, también conocida como velocidad ascensional, se determina mediante la expresión:

Donde:

Ch: carga hidráulica (m3/m2/h, m/h)

Q: caudal de las aguas a tratar (m3/h)

S: superficie de la zona de sedimentación (m2)

Para el diseño de la zona de decantación se emplea la carga hidráulica a caudal máximo, que viene dada por:

Donde:

ChQmáx: carga hidráulica a caudal máximo (m3/m2/h, m/h)

Qmáx: caudal máximo horario de las aguas a tratar (m3/h)

Para el dimensionamiento de la zona de sedimentación se recomienda un valor de la carga hidráulica a caudal máximo de 1,0-1,5 m3/m2/h.

A partir del valor recomendado de la carga hidráulica a caudal máximo, se determina la superficie de la zona de decantación mediante la expresión:

El tiempo de retención hidráulica se determina mediante la expresión:

Donde:

TRH: tiempo de retención hidráulica (h)

V: volumen de la zona de sedimentación (m3)

Q: caudal de las aguas a tratar (m3/h)

Para el diseño de la zona de sedimentación se usa el TRH a caudal máximo, que viene dado por:

Se recomienda un valor del TRH a caudal máximo de 1,5-2,5 horas. Este valor de TRH, comparado con el que operan las fosas sépticas (mínimo 24 horas), justifica el menor impacto olfativo de los efluentes procedentes de los tanques Imhoff.

A partir del TRH recomendado, se determina el volumen de la zona de sedimentación mediante la expresión:

Conocido el volumen y la superficie de la zona de sedimentación, y conforme a su geometría, se determina la altura de esta zona.

Zona de digestión

El volumen de la zona de digestión mediante la expresión:

Donde:

V: volumen de la zona de digestión (m3)

TRH: tiempo de retención hidráulica (d)

GL: generación de lodos (m3/d)

La generación diaria de lodos se determina teniendo en cuenta el número de habitantes a los que el tanque Imhoff debe dar servicio, y asumiendo que cada habitante genera 0,4 l de lodos al día (Metcalf&Eddy, 1998).

Para determinar el tiempo de retención hidráulica con el que debe trabajar la zona de digestión, en función de la temperatura de operación, se puede hacer uso de la gráfica siguiente, elaborada por el propio Imhoff:


TRH en función de la temperatura de operación (Imhoff, 1953).

 


En las páginas 55-57 de la referencia (García, Corzo, 2008), se encuentra un caso detallado del diseño de un tanque Imhoff.

En las siguientes figuras se muestran las dimensiones habituales de los tanques Imhoff y fotos de una instalación para el tratamiento de 500 habitantes.


Dimensiones de un tanque Imhoff (Salvato, 1982).

 



Tanque Imhoff de dos cuerpos para 500 habitantes. En la primera foto se muestra la colocación de la zona de sedimentación, ejecutada en PRFV (Planta Experimental de Carrión de los Céspedes-Sevilla).

Para terminar, veamos un caso práctico de la aplicación de los tanques Imhoff a modo de tratamiento primario, y que simplifica y abarata la gestión de los lodos en exceso, que se generan en el proceso de tratamiento de las aguas residuales.

En un Filtro Percolador operando bajo el primer diagrama de flujo, se generan lodos sin estabilizar en las dos sedimentaciones (primaria y secundaria), lodos que deben tratarse como paso previo a su disposición final. Para solventar este inconveniente, y especialmente para rangos medios-bajos de la población servida, se puede sustituir la etapa de sedimentación primaria por un tanque Imhoff, al que se envían, para su estabilización vía anaerobia, los lodos en extraídos, con lo que se evita su extracción continua. Otro ejemplo de liberación de la esclavitud de los lodos.

Bueno, lo dejamos aquí, que no quiero que este post, que ya hace el número LX de mi blog, acabe convirtiéndose en un post XL.

HIDROABRAZO y CUÍDESE MUCHO. El Médico del Agua.

Referencias

  • EPA (2002). Onsite Wastewater Treatment Systems Manual. Office of Water. Office of Research and Development. U.S. Environmental Protection Agency. EPA/625/R-00/008.
  • García, J.; Corzo, A. (2008). Depuración con Humedales Construidos. Guía Práctica de Diseño, Construcción y Explotación de Sistemas de Humedales de Flujo Subsuperficial.
  • Imhoff, K. (1953). Taschenbuch der Stadtenwässerung, 28. Auflage, Oldenbougverlag. ISBN: 3-486-26332-3.
  • Metcalf&Eddy (1998). Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. ISBN: 84-481-1607-0.
  • Salvato, J.A. (1962). Environmental engineering and sanitation. Third edition. Willey-Intersciencie publication. New York (pp 490).

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