FILTROS

SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

ING. AMBIENTAL – UNET PROF. ING. MARTÍN MOROS

INTRODUCCIÓN El primer filtro de arena se inventó en Escocia en 1804. En 1829 la Compañía Río Támesis, en Londres, emprendió la construcción de filtros lentos de arena, y en 1892 se demostró su eficiencia para el control biológico con ocasión de la epidemia de cólera ocurrida en Hamburgo. Aunque la coagulación y la sedimentación remueven cerca del 90% de la turbiedad y el color, una cierta cantidad de floc no es retenida en el tanque de sedimentación y necesita su remoción. Por ello para lograr la clarificación final se usan filtración a través de medios porosos, que por lo general son arena o arena y antracita. En la planta de purificación, la filtración remueve el material suspendido, medido en la práctica como turbiedad, compuesto de floc, suelos, metales oxidados y microorganismos.

INTRODUCCIÓN La remoción de microorganismos es de gran importancia, puesto que muchos de ellos son extremadamente resistentes a la desinfección, y sin embargo, son removibles mediante filtración. Lo anterior indica que en la práctica se considera que el propósito principal de la filtración es remover turbiedad e impedir la interferencia de esta con la desinfección, pues la turbiedad tiene la capacidad de proteger a los microorganismos de la acción del desinfectante. Los filtros son unidades de pulimento, por tanto no deben recibir agua del sedimentador con mas de 2 UNT

MECANISMOS DE REMOCIÓN Generalmente se piensa en los filtros como un tamíz o microcriba, siendo esta acción la menos importante, ya que la mayoría de las partículas pueden atravesar el espacio disponible entre los granos del medio. El fenómeno de filtración es resultado de la acción conjugada de diferentes procesos, físicos, químicos y biológicos, en combinación compleja. En aguas de consumo, la adsorción cumple el papel más importante, ya sea sobre el medio o sobre otras partículas previamente retenidas. Las fuerzas que atraen o retienen las partículas sobre los granos son las mismas que en la coagulación/floculación. Además se produce sedimentación de las partículas sobre el medio filtrante. También participa el mecanismo de adhesión y el crecimiento biológico.

MECANISMOS DE REMOCIÓN

VARIABLES EN EL DISEÑO DE LOS FILTROS  Características del medio: como su tamaño, distribución, forma, densidad,

composición y carga del medio. Afectan la eficiencia de remoción de partículas y el incremento en la perdida de carga.  Porosidad del medio: determina la cantidad de sólidos que pueden almacenarse en le

filtro.  Profundidad del medio: afecta la perdida de carga y la duración de la carrera.

 Tasa de filtración: determina el área requerida y la perdida de carga, así como la

producción del filtro.  Características del afluente: como concentración de sólidos suspendidos, tamaño,

distribución, resistencia y carga del floc. Afectan las características de remoción.

VARIABLES EN EL DISEÑO DE LOS FILTROS

CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS  De acuerdo a la dirección del flujo: descandente, ascendente y dual.  Configuración del medio: monomedio (arena), bimedio (arena y antracita) o

multimedio (arena, antracita y granate o ilmenita).  Fuerza impulsora: por gravedad mayoritariamente, y a presión para piscinas y

pequeñas plantas.  Tasa de filtración: los primeros filtros fueron lentos, con monomedio de arena fina de

1 m de profundidad, sobre grava de 0,3 m. Estos se sustituyeron por filtros rápidos de arena, con lavados ascensional y menor requerimiento de área. Posteriormente con el empleo de medios duales o mezclados, lo que redujo más el requerimiento de área y aumento la tasa de filtración.

CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS De acuerdo a la dirección del flujo

CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS Configuración del medio

CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS

NÚMERO DE FILTROS Y SELECCIÓN DEL MEDIO FILTRANTE • Número de Filtros: mínimo 2 (plantas pequeñas) y aún uno si existe suficiente almacenamiento de agua tratada tanto para el lavado del filtro, como para suplir las necesidades de consumo durante la puesta fuera de servicio del filtro. 4 en plantas grandes. • Selección del Medio Filtrante: en la arena gruesa la permeabilidad es mayor que en la arena fina, ambas con porosidad y volumen de vacíos igual. Los poros pequeños en la arena fina causan mayor resistencia al flujo (menor permeabilidad) • Gradación uniforme: partículas de arena del mismo tamaño, posee mayor porosidad y permeabilidad • Gradación no uniforme: lecho constituido por partículas que van desde tamaño fino a tamaño grueso; posee menor porosidad y permeabilidad

SELECCIÓN DEL MEDIO FILTRANTE Tamaño Efectivo (TE): tamaño de partículas o de grano en mm, tal que el 10% del material en peso es más pequeño que dicho tamaño (tamaño del tamiz en mm que permite el paso del 10% del medio filtrante). El TE corresponde aproximadamente al tamaño promedio por conteo, y es un parámetro usado para caracterizar medios filtrantes. Coeficiente de Uniformidad (CU): relación del tamaño de granos que tiene un 60% mas fino que el mismo, al tamaño que tiene un 10% mas fino que el mismo. Cuanto más bajo sea su valor, mas uniforme será la gradación de la arena y viceversa.

SELECCIÓN DEL MEDIO FILTRANTE Arena: medio filtrante más usado posiblemente por ser el más económico. En filtros rápidos de arena de profundidad 60 a 70 (75) cm el TE = 0,45 - 0,55 o 0,35 – 0,50 mm (incluso 0,7 mm); CU = 1,2 (1,3) – 1,7. La arena para filtros debe tener una solubilidad en ácido clorhídrico 1:1 menor al 5%, con densidad relativa mayor a 2,5. Debe ser limpia y bien gradada. Permite tratar aguas con turbidez de 5 a 10 a tasas hasta de 120 m/d.

SELECCIÓN DEL MEDIO FILTRANTE Antracita: un carbón se clasifica como antracítico cuando tiene carácter no aglomerante y cumple con las siguientes especificaciones:

La antracita para filtros debe ser limpia, con dureza mayor de 2,7 en la escala MOHS, de densidad relativa mayor de 1,4; con solubilidad en ácido menor del 5% y coeficiente de uniformidad menor o igual de 1,7. El lecho puede ser de 60 a 70 cm, con TE de 0,70 mm o mas.

SELECCIÓN DEL MEDIO FILTRANTE Arena-Antracita: el tamaño y espacio libre de las partículas de un medio filtrante debe variar uniformemente entre grueso a fino en la dirección del flujo. Esto alarga la tasa de filtración y mejora la calidad del efluente. En filtros de medio dual se usa típicamente 60 cm de antracita típicamente de S = 1,4, sobre 15 cm de arena de S = 2,65, lo que favorece que estos medios no se inviertan durante el lavado. Esto permite purificar aguas con turbiedad menor a 15 a tasas de filtración de 240 a 300 m/d. La combinación apropiada para asegurar que ambos medios tengan igual velocidad de asentamiento esta dada por: Ej.: El tamaño adecuado de antracita para usar en un TE(carbón) = 2.TE(arena)

medio dual si la arena tiene TE = 0,5 mm y S(arena) = 2,65; siendo S(antracita) = 1,5. Resp.: TE(antracita) = 1,11 mm.

SELECCIÓN DEL MEDIO FILTRANTE Arena-Antracita:

DRENAJE DEL FILTRO Grava: el tamaño y profundidad de la capa inferior depende del sistema de drenaje usado, mientras que el de la capa superior, del tamaño de la capa inferior de medio fino. Un lecho ideal de grava es casi esférico e incrementa uniformemente en tamaño de arriba abajo. La profundidad debe variar en filtros rápidos entre 15 a 60 cm (usual 45 cm). Piedras tan grandes como 7,5 cm pueden colocarse cerca del drenaje, pero se prefiere un tamaño máximo de 2,5 cm. La capa del fondo debe extenderse por lo menos 10 cm sobre el punto de salida más alto del agua de lavado proveniente del sistema de drenaje. La grava debe ser dura, con S(prom) = 2,5.

DRENAJE DEL FILTRO Su función es proveer una distribución uniforme del agua de lavado y recoger el agua filtrada. Recomendaciones de diseño: Cuando se diseñan filtros convencionales con lavado por tanque elevado o por bombeo, se provee de una galería de tuberías amplias, bien iluminadas y ventiladas (para facilitar el mantenimiento); para localizar los tubos, controles, válvulas, bombas y accesorios.

Las galerías de tuberías de los filtros son innecesarias en plantas de tasa declinante.

DRENAJE DEL FILTRO

DRENAJE DEL FILTRO

Corte de un filtro con orificio de control

FILTROS LENTOS DE ARENA Constituyeron en el pasado, el tipo de filtro más usado. Su nombre proviene de la velocidad baja de filtración con que se diseñan, por lo general menor a 12 m/d, comúnmente entre 2 a 8 m/d. La filtración lenta en arena es apropiada para aguas de turbiedad baja. Estos filtros no son muy adecuados para filtrar aguas con turbiedad alta ni para filtrar aguas coaguladas con cantidad excesiva de floc suspendido, por que se taponearían muy rápido y se perdería mucho mas tiempo en limpieza que en operación. Estos filtros requieren grandes áreas superficiales, lo que puede resultar desventajoso cuando los costos del terreno son altos o cuando no existe disponibilidad apropiada del mismo. Sin embargo son muy útiles en plantas pequeñas y gracias a su actividad biológica oxidan materia orgánica y remueven posibles causantes de olores y sabores.

FILTROS LENTOS DE ARENA Consisten usualmente de tanques de concreto cerrado, que contiene una capa sobrenadante de agua de 0,6 a 1,5 m; una capa de arena entre 0,6 y 1,5 m, con tamaño efectivo entre 0,15 a 0,35 mm y un coeficiente de uniformidad de 1,5 a 5. Soportado por una capa de grava entre 25 a 45 cm, colocada sobre una tubería de drenaje principal unida a tuberías de drenaje lateral a junta abierta o perforadas, así como por un conjunto de dispositivos de regulación y control operacional como válvulas de mariposa en las tuberías afluente y efluente. En general operan a tasas de filtración constante, aplicando aguas de baja turbiedad y color (< 30 unidades, o hasta 50). Para evitar presiones negativas que deterioren la calidad del agua se dispone de un vertedero de control, cuya cresta se coloca a una altura igual a la del borde superior de la arena, que a la vez sirve de unidad de aforo.

FILTROS LENTOS DE ARENA La penetración de sólidos en el filtro es sólo superficial, pues allí se forma una película microbial que retiene y oxida la materia orgánica. Con el uso la capa superficial se taponea, y el agua no fluye a la tasa deseada, y al ser excesiva la perdida de carga, el filtro debe limpiarse, drenando el agua, raspando y removiendo 1 a 2 cm de arena superficial (con rastrillo o pala plana). Esta arena se lava y almacena limpia y cuando la altura del lecho reduce a menos de 60 cm, se reemplaza la arena removida. La carrera de filtración puede ser de varios días o hasta de 2 o 3 meses. Estos filtros pueden ser de planta circular, cuadrada o rectangular, con paredes verticales o inclinadas. Después de 4 o 5 años de uso, la arena estará en su espesor mínimo, y se devuelve al espesor original con arena nueva limpia colocada bajo la arena vieja para preservar la capa biológica activa.

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS LENTOS DE ARENA

FILTROS RÁPIDOS DE ARENA El filtro rápido por gravedad es el más utilizado, y supone dos etapas: filtración y lavado. En un filtro rápido convencional el final de la carrera de filtración se alcanza cuando la turbiedad en el efluente aumenta hasta un punto inconcebible, o hasta que la perdida de carga sea tan alta (usualmente 2,4 m) que el filtro ya no produzca agua a la tasa deseada, en unas 36 horas o más. En cualquiera de los dos casos se procede a lavar el filtro para remover el material suspendido acumulado. Usualmente el lavado se hace invirtiendo el flujo a través del filtro, hasta fluidizar el medio, produciendo frote entre los granos, y desechando el material removido a través de canaletas de lavado.

FILTROS RÁPIDOS DE ARENA

FILTROS RÁPIDOS DE ARENA

FILTROS A PRESIÓN

MÉTODOS DE CONTROL

MÉTODOS DE CONTROL

MÉTODOS DE CONTROL

FLUJO A TRAVÉS DE LECHOS EXPANDIDOS La restauración de la capacidad de flujo de un lecho puede realizarse, como ya se ha explicado, por remoción de parte del lecho superficial (filtros lentos), o por retrolavados, que interesa estudiar a profundidad. Estos permiten la remoción de partículas de las porciones obstruídas del lecho, mediante arrastre por expansión líquida del lecho. Los filtros rápidos se tapan mucho más rápidamente debido a sus cargas hidráulicas más altas, lo que ocasiona que los sólidos penetren más profundamente dentro del lecho, requiriendo lavados en sentido opuesto al flujo, a una tasa de mas o menos 10 veces la tasa de filtración normal. El flujo de agua hacia arriba expande el lecho, produciendo una condición fluidizada del medio, que separa el material acumulado transfiriéndolo al agua de lavado. El arrastre con aire comprimido antes de retrolavado hídrico, mejora la limpieza y reduce el consumo de agua.

FLUJO A TRAVÉS DE LECHOS EXPANDIDOS Al entrar el agua de retrolavado el lecho comienza a expandirse y se genera la perdida de carga inicial de lavado. A medida que el lecho se expande, la tasa de incremento de la perdida de carga disminuye, y cuando todo el lecho esta fluidizado, la perdida de carga de lavado se hace constante, equilibrándose la fuerza de lavado ascendente y la fuerza gravitacional (descendente). Un incremento adicional del caudal de lavado aumenta la expansión del lecho mas no la perdida de carga por lavado. Una expansión excesiva no es deseable, pues reduce la acción de frote limpiadora y se incrementa innecesariamente el gasto de agua de lavado.

FLUJO A TRAVÉS DE LECHOS EXPANDIDOS

L = Profundidad del lecho fijo (m) Le = Profundidad del lecho expandido (m) Expansión =

Le −L L

Expansión del 5 a 25 % en Inglaterra, y hasta del 50% en EEUU

LAVADO DE FILTROS  Velocidad ascensional del agua: entre 10 a 14 mm/s produce una expansión generalmente menor al 40%  Los filtros se lavan cuando la perdida de carga alcanza 2 a 3 m, cuando se observa floc en el efluente, cuando hay fugas de turbiedad o cuando la carrera de filtración es de 36 h.  El lavado puede ser por fluidización simple, con ayuda o no de lavado superficial; y con ayuda de lavado por aire  La velocidad del agua de lavado debe ser suficiente para arrastrar el material retenido por el filtro, pero no tanto como para arrastrar el medio

LAVADO DE FILTROS Para arena y antracita típicamente usados en filtros, a 20°C, con densidad relativa de 2,65 y 1,55 respectivamente:

LAVADO DE FILTROS La limpieza del medio granular es resultado del esfuerzo de corte producido por el agua de lavado y la abrasión o frote por el contacto entre las particulas del medio fluidizado. El frote máximo se produce cuando: Para arena a 20°C

Para la antracita a 20°C

Para temperaturas diferentes a 20°C la corrección es

LAVADO DE FILTROS La expansión del lecho durante el lavado es otro parámetro usado para medir la efectividad del lavado. Algunos autores enfatizan en la importancia de expandir la arena en 50%, mientras que otros consideran que es razonable un 40% para la arena y 25% para la antracita Relación entre la Expansión y Re: Sustituyendo el valor optimo de Vb y tomando el promedio de expansión de la arena en 45% y para la antracita de 50%: Re (arena) = 37,5%

Re (antracita) = 25%

CANALETA DE LAVADO Se dimensiona a partir de Q = 1,38.b.h1,5 , con Q en m3/s (caudal de lavado), b = ancho y h altura de agua (ambas en m). H(canaleta) = h + h libre (entre 5 a 10 cm) - Material: Concreto, plástico reforzado, fibra de

vidrio - Forma: Rectangular, trapezoidal, U o V - Ubicación: Techo del filtro

HIDRÁULICA DE LA FILTRACIÓN

Muchas son las ecuaciones empleadas para determinar la perdida de carga en un filtro limpio. Entre las más conocidas están las de Carmen Kozenzy, Fair y Hatch, Rose y Hazen.

HIDRÁULICA DE LA FILTRACIÓN La ecuación de Rose es de fácil aplicación si se supone un lecho de filtración de tamaño uniforme (filtro de arena lento). Sin embargo, para aplicarla a lechos filtrantes estratificados (como los rápidos y de alta tasa) se deben realizar las correcciones apropiadas, que dan como resultado las siguientes ecuaciones: Ecuación de Rose para filtros rápidos h v2 α = 0,178 L g. e4 β

CDi

Pi di

Ecuación de Rose para filtros lentos h CD . v 2 α = 0,178 L g. e4 β

Pi di

Siendo: h = perdida de carga a través del lecho (m) L = Profundidad del lecho (m) v = Velocidad de filtración (m/s) g = aceleración de la gravedad (m/s 2 ) e = Porosidad del lecho α = Factor de forma de área superficial β = Factor de forma de volumen CD = Coeficiente de arrastre CDi = Coeficiente de arrastre para los granos del tamaño promedio di Pi = Fracción en peso de partículas de tamaño di di = Tamaño promedio geométrico de las aberturas de los tamices adyacentes [ d1.d2]

HIDRÁULICA DE LA FILTRACIÓN Valores aproximados de factores de forma para arena Tipo de arena

β

α/β

Ψ

Angular

0,64

6,9

0,81

Afilada

0,77

6,2

0,85

Erosionada

0,86

5,7

0,89

Redondeada

0,91

5,5

0,91

Esférica

0,52

6,0

1,00

Fuerza de lavado ascendente = Fuerza gravitacional descendente

FLUJO A TRAVÉS DE LECHOS EXPANDIDOS

HIDRÁULICA DEL LAVADO DE FILTROS Ss