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• Luis Felipe Graell Tejera

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FILTRACIÓN

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Filtración es el proceso donde el agua es purificada al pasar a través de un medio poroso. Dependiendo del caudal que se filtra por unidad de área, los filtros se clasifican en rápidos y lentos.

5.1 Filtros Lentos de Arena : En la filtración lenta el agua percola lentamente a través de un lecho de arena fina donde el tamaño de los poros es pequeño. La materia suspendida en el agua cruda es retenida especialmente en los dos centímetros superiores del lecho. Esto permite limpiar el filtro por medio de la eliminación de la capa superior. Contratista las ratas de filtración utilizadas (0.1 a 0.3m3/m2-hr), el intervalo entre dos limpiezas consecutivas es de varios meses. Generalmente, la turbiedad media está limitada a 10 unidades, con valores picos de hasta 30 unidades por períodos de unos cuantos días. Dentro de estos límites puede llevarse a cabo eficazmente la eliminación de la turbiedad y de las bacterias, siendo esta última la función primordial del filtro lento. La arena limpia es relativamente poco eficaz, hasta e se forma una película absorbente sobre la superficie de las partículas de arena, así que, normalmente se desecha el agua proveniente de lechos en los que se acaba de colocar arena limpia, durante unos días, hasta que se forme dicha película. La velocidad de filtración de lechos limpios debe ser

inicialmente muy baja, y aumentarse gradualmente hasta que alcance el caudal deseado, y la calidad del efluente sea satisfactoria. Un filtro lento consiste en un estanque de concreto cubierto de unos 3 a 4 metros de profundidad. Se colocan líneas de tubos para drenaje de juntas abiertas, distanciados a 1.80m aproximadamente, y se les conecta a un tubo central o colector principal. Las líneas de tubos de drenaje se cubren con unos 30 a 45cm de gravas clasificadas por tamaños, colocando los tamaños más gruesos en el fondo y cubriéndolos gradualmente con los más chicos hasta que se llega al lecho de arena, que es de unos 0.9 a 1.20m de espesor. El tamaño efectivo de esta arena está entre 0.15 y 0.35mm, y su coeficiente de uniformidad puede llegar hasta 5. El espesor de la capa de agua debe ser de 1.0 a 1.5m. En la Figura 5.1 se muestra una sección de un filtro lento típico.

5.2 Filtros Rápidos de Arena: A pesar de que los filtros rápidos utilizan también un lecho de arena, el proceso es completamente diferente al que ocurre en los filtros lentos. Esto es así porque la arena es mucho más gruesa, con un tamaño efectivo de 0.4mm o mayor y la rata de filtración oscila entre 5 y 10m3/m2-hr. Debido a la arena gruesa usada, los poros del lecho son relativamente grandes y las impurezas contenidas en el agua cruda penetran profundamente en el lecho. Por lo tanto la capacidad del lecho filtrante para almacenar impurezas depositadas es mucho mayor y hasta aguas muy turbias de ríos pueden ser tratadas. Detalles de estos filtros se presentan en las Figuras 5.2 y 5.3.

Para la limpieza del lecho de un filtro rápido, no es suficiente la eliminación de la capa superior, sino que el filtro tiene que ser lavado integralmente por medio de un retrolavado. La remoción de las impurezas en un filtro rápido es llevada a cabo por una combinación de diversos procesos. Los más importantes son: Colado, Sedimentación y Absorción. La operación de un filtro rápido es presentada esquemáticamente en la figura 5.4. Durante la filtración el agua entra al filtro a través de la válvula A, se mueve hacia abajo, fluye a través del lecho de arena, pasa al sistema de drenaje y sale por la válvula B. Debido a la obstrucción gradual de los poros del lecho filtrante, la resistencia al paso del agua también se incrementará. Esto reducirá la rata de filtración, a menos que sea compensado por un ascenso en el nivel del agua sobre el lecho filtrante. Frecuentemente los filtros rápidos son diseñados para operar con una carga hidráulica constante y una rata constante de filtración. Esto requiere que el filtro esté equipado con un aparato que regule el flujo en la línea de salida. Cuando la pérdida de carga es excesivamente alta por lo que el rendimiento del filtro es bajo, este es puesto fuera de servicio para limpiarlo. Para esto, las válvulas A y B son cerradas, y la válvula D es abierta para drenar el agua remanente fuera del filtro. Luego la válvula E es abierta para permitir la entrada del agua del lavado. La rata de retrolavado debe ser lo suficientemente alta para expandir el lecho y despegar los granos de arena, lo que permite que las impurezas sean arrastradas por el agua. El agua de lavado es colectada en unas canaletas, las cuales la vierten en un canal de desecho. Cuando el retrolavado es completo, las válvulas E y D son cerradas y las válvulas A y B son abiertas.

5.3 Consideraciones para el Diseño: Para el diseño de un filtro rápido, se necesitan seleccionar cuatro parámetros. El tamaño y distribución de los granos del material filtrante, el espesor del lecho filtrante, la profundidad del agua sobre el lecho y la rata de filtración. Estos parámetros deben ser relacionados, en la medida de lo posible, en base a la experiencia obtenida en plantas existentes que tratan aguas con características similares. Cuando tal experiencia no existe, el diseño debe basarse en los resultado obtenidos en plantas pilotos experimentales.

5.3.1 Medios Filtrantes: La arena que se usa en los filtros rápidos es de menos de 2.0mm de diámetro y está compuesta de material silíceo con una dureza de 7 en la escala de Mohr y un peso específico no menor de 2.60. La práctica es utilizar arena con coeficiente de uniformidad entre 1.50 y 1.70, y tamaño efectivo entre 0.45 y 0.55mm Cuando se lava el lecho filtrante con flujo ascendente, la arena es estratificada según la ley de Stokes, por sus pesos y tamaños, quedando los granos más gruesos en la parte inferior y los más finos en la superior. Con el fin de disminuir esta estratificación, se usan lechos de arena en combinación con materiales de menor gravedad específica como la antracita, que tiene un peso específico de aproximadamente 1.55. Esto le permite a partículas de antracita de mayor tamaño que las de arena, quedar en niveles superiores. La antracita se usa con tamaños efectivos de 0.6 y 1.4mm.

5.3.2 Soporte de Grava:

La grava se coloca sobre el sistema de drenaje, cuando éste lo requiere y tiene dos propósitos: Servir de soporte al lecho de arena durante la operación de filtrado para evitar que la arena se escape por los drenajes, y para distribuir uniformemente el agua de lavado. En general se colocan de 40 a 45cm de grava de diferentes tamaños ordenados de mayor a menor estando los tamaños menores en contacto con el lecho de arena. En la tabla 5.1 se muestra una distribución típica de tamaños: Tabla 5.1 TAMAÑOS TÍPICOS DE GRAVA Lecho Fondo Primero Segundo Tercero Gravilla

Profundidad cms

Tamaños pulgs

15-12 7.5-7 7.5-7 7.5-7 7.5-7

2-1 1-1/2 1 /2 – 1 /4 1 /4- 1/8 1/8-1/12

5.3.3 Rata de Filtración : La rata adecuada de filtración que se le debe aplicar a un filtro depende de cuan adecuado haya sido el tratamiento previo. En el pasado se ha utilizado una rata convencional de 2gpm/pie2(4.9m3/m2-hr), pero extensos estudios han demostrado que esta rata puede ser alta para ciertas condiciones o demasiado baja para otras. En el pasado se creyó también que la rata de filtración constante producía mejor calidad en el efluente, y por lo tanto se colocaban controles de caudal a la salida de los filtros hoyd día, se ha comprobado que filtros que operen con ratas variables producen agua de igual calidad que aquellas que trabajan a rata constante.

5.3.4 Profundidad de la Capa de Agua sobre el Filtro : A mayor altura de agua sobre el filtro, mayores pérdidas por fricción en el lecho filtrante son admitidas. Sin embargo, la práctica ha demostrado que una carga disponible de 1.40 a 1.80 metros es suficiente.

5.4 Lavado del Filtro : El lavado del filtro es la operación por la cual se suspende el proceso de filtración y se inyecta agua por la parte inferior con el fin de que el lecho filtrante se expanda, los granos se froten y se desprenda todo el material que ha quedado retenido entre ellos en la operación de filtrado. Este proceso debe hacerse cada vez que la pérdida de carga es igual a la presión estática sobre el lecho, o la calidad del efluente desmejore. El agua se inyecta por los drenes con una velocidad tal que puede producir una expansión del lecho del 10 al 50%. Hay que hacer notar que la expansión exagerada del medio filtrante no beneficia al lavado, pues impide el roce o frotamiento de unos granos con otros, evitando el desprendimiento de la película adherida a ellos durante el proceso de filtración. Por otra parte si la expansión no es suficiente, el flóculo retenido en el lecho no puede escapar y alcanzar las canaletas de salida. En la tabla 5.2 se presentan las ratas de retrolavado que producen una expansión del 20% de acuerdo al tamaño medio de los granos del filtro y la temperatura del agua.

Tabla 5.2 RATA DE RETROLAVADO PARA PRODUCIR UNA EXPANSIÓN (20%) DEL LECHO FILTRANTE ; m3/m2-hr 0.4 12 14 16

10ºC 20ºC 30ºC

0.5 17 20 23

0.6 22 26 30

0.7 28 33 38

0.8 34 40 47

0.9 40 48 56

1.0 47 56 65

1.1 54 64 75

1.2 62 73 86

El lavado ascendente por lo general se complementa con lavado superficial inyectando agua a presión sobre la superficie del lecho filtrante para romper el lodo acumulado. Por lo general el lavado superficial se hace por medio de dos brazos que giran sujetos a un tubo central y que se desplazan por reacción de los chorros de agua que se proyectan a alta velocidad. Se colocan a 5 ó 7.5cms encima de la arena y giran con una velocidad de 7 a 10 rpm. Trabaja con 30 a 80 lts/min-m 2 a una presión de 30 a 40mts. Ver figura 5.5 El agua de lavado puede provenir de un tanque elevado, de un sistema de bombeo o de otros filtros trabajando en paralelo. La capacidad del tanque debe estar en función del número de filtros y debe ser suficiente para lavar una unidad por un período de 8 minutos. A la rata de diseño. Cuando se usa lavado superficial, hay que tener en cuenta también el consumo de agua ocasionado por esta operación. Axevedo Netto recomienda la siguiente expresión para calcular el volumen del tanque de lavado. Vc = A (te qa + t`e q`a)3 3n Donde : A = Area del filtro te = Tiempo de lavado superficial t`e= Tiempo del lavado ascensional

qa = Rata de flujo de lavado superficial q`a= Rata de flujo de lavado ascensional n = Número de filtros Para llenar el tanque de lavado es necesario instalar un equipo de bombeo. La rata de bombeo dependerá de la frecuencia con que se hacen los lavados. El tanque debe colocarse a una altura tal que el agua pueda llegar hasta la canaleta de lavado con el caudal del diseño. En el caso de lavado directo con bombas, éstas suelen ser de gran capacidad y baja presión. La carga hidráulica total de las bombas se calcula en la misma forma en que se calcula la altura del tanque de lavado. Las bombas toman el agua del tanque de agua filtrada. El lavado de los filtros con el flujo proveniente de otras unidades se basa en el hecho de que si se deja la salida del afluente. A un nivel mayor que la canaleta del lavado y se interconectan los filtros, al abrir la válvula de drenaje, el nivel en el filtro desciende, con lo que se establece una carga hidráulica que invierte el sentido del flujo en el lecho filtrante y se realiza el lavado. Ver Figura 5.6 Para recoger el flujo ascendente durante el lavado, debe diseñarse un sistema de recolección que puede estar formado por canaletas que descargan en un canal principal o por un sólo canal. Ver Figura 5.7 Las dimensiones y el número de las canaletas depende del tamaño del filtro y de la rata de retrolavado. Camp encontró la siguiente fórmula empírica para canaletas rectangulares. Q = 82.5 WH3/2

Donde : Q = Caudal recogido en la canaleta. W= Anchode la canaleta en metros. H= Máximo nivel de agua en la canaleta. La ecuación anterior sólo es válida cuando la descarga de la canaleta libre. La altura desde la superficie del lecho filtrante hasta el plano de rebose debe ser igual al 50% de expansión del lecho más un borde libre no menor que la altura total de la canaleta, que es por lo menos 5cms mayor que el valor H de la ecuación anterior.

5.5 Sistema de Drenaje : El sistema de drenaje en un filtro tiene dos propósitos : Recolectar y extraer el agua filtrada, y distribuir uniformemente el agua de lavado del lecho filtrante. Existen tres variedades de sistemas de lavado : Tuberías perforadas, fondos falsos y placas porosas. El sistema de tuberías perforadas consiste en una tubería principal a la cual se le conectan en ambos lados tubos perforados. La superficie total de los orificios debe estar entre el 0.2 y 0.33 del área filtrante, y su diámetro varía entre 3/8 y 5/8 de pulgada. Ver Figura 5.8 Los fondos falsos son dispositivos patentados que se venden en forma prefabricada. Hay diversos tipos ; Wheeler, Leopold, Dagremont, etc... Las especificaciones de cada uno pueden ser obtenidas en las casas comerciales que se dedican a su venta. Ver Figura 5.9 Las placas porosas son bloques fabricados con granos relativamente grandes de óxido de aluminio, mezclados con cerámica y fundidos a 1200ºC. Estas placas se colocan sobre soporte de metal u hormigón, y debido a que su porosidad es similar a la de la arena, no es necesario el soporte de grava.

Ejemplo 5.1 Un filtro tiene capacidad de 2400m 3/día. Determine el área y las dimensiones del filtro, las canaletas de lavado y su altura sobre el lecho de arena. Considere el tamaño medio de los granos como 0.7mm y la temperatura del agua como 20ºC. a) Area del filtro : Asumiendo una carga superficial de 5m3/m2-hr : Area = (2400 m3/día) / 5m3/m2-hr = 20 m2. b) Dimensiones : 4m X 5m c) Caudal del lavado : Para una temperatura de 20ºC y un tamaño medio de granos de 0.7mm, la tabla 5.2 da un caudal de 33m3/m2-hr. Caudal de lavado = (33m3/m2-hr) 20m2 = 660 m3/hr = 11m3/min d) Dimensiones de las canaletas Si se consideran dos canaletas rectangulares el caudal por unidad será : Q unidad = (11m3/min)/2 = 5.5 m3/min Utilizando la ecuación Q=82.5WH2/3 y asumiendo un ancho de 30cm, H = (Q/82.5W)2/3 H = 0.367 Dimensiones reales : Ancho 30cm y alto 45cm. e) Altura de las canaletas sobre el lecho filtrante, considerando un espesor de lecho de 70cm, la expansión del 50% alcanzará 35cm. Altura total del plano de rebose = 0.35m + 0.45m = 0.80m

5.6 Filtros con lechos filtrantes múltiples.

En los filtros de arena convencionales, la permeabilidad aumenta con la profundidad del filtro. En estas condiciones los granos más pequeños quedan arriba y los más grandes abajo. Esto significa que a medida que los flóculos penetran dentro del lecho, encuentran poros más y más grandes, por donde pueden pasar con más facilidad. Esta estratificación presenta el inconveniente de que el mayor porcentaje de partículas queda retenido en la superficie y por lo tanto la capacidad de almacenamiento de flóculos es limitada, pues se reduce al volumen de poros de los primeros dos a cinco centímetros del lecho. La solución a este problema consiste en lograr que la permeabilidad del lecho disminuya con la profundidad, de modo que los flóculos puedan penetrar más. Esto se consigue con la utilización de materiales granulares con densidades menores que la de la arena. Hasta ahora el material más utilizado ha sido la variedad de carbón de piedra denominada antracita, que tiene un peso específico que varía de 1.4 a 4.65.

5.7 Selección de arena para un Filtro Las arenas naturales son demasiado gruesas, demasiado finas o demasiado desuniformes para ser usadas directamente como lechos filtrantes en filtro rápidos. A partir de las arenas naturales es posible obtener una arena que cumpla con las especificaciones de las arenas de filtro rápidos. Si un filtro de arena está determinado en base al tamaño efectivo y al coeficiente de uniformidad, las porciones demasiado fina y demasiado gruesa de la arena natural van a estar en función de los tamaños correspondientes al 10% fino y 60% más fino de la arena deseada.

Debido a que los granos que están entre los tamaños correspondientes al P 60 y P10 de la arena deseada, constituyen la mitad de la arena a utilizar en el filtro, el porcentaje usable de arena natural es : P usable = 2 (P60 - P10) Debido a que la arena deseada puede contener hasta un 10% de la cantidad usable menor que el D10, el percentil debajo del cual la arena natural es demasiado fina para usarse es : P demasiado fino = P10 - 0.10 P usable Para determinar la fracción demasiado gruesa sólo hay que tener presente que el P usable se considera a partir del tamaño demasiado fino. P demasiado grueso = P demasiado fino + P usable Ejemplo 5.2 Para la arena que se muestra en la figura 5.10 determine la fracción utilizable, los tamaños demasiado fino, y demasiado grueso, si se desea construir un filtro con tamaño efectivo de 0.5mm y coeficiete de uniformidad de 1.5 a) Fracción utilizable. De la figura 5.10 la fracción de arena menor que el tamaño efectivo de 0.5mm es de 30%, y la fracción menor que el tamaño D60 (1.5 X 0.5mm) es 53.5% Fracción útil = 2(53.5 - 30) = 47% b) Tamaño demasiado fino. P demasiado fino = P10 - 0.10 P usable = 30-0.1(47) = 25.3% A este percentil le corresponde un tamaño de 0.44mm.

c) Tamaño demasiado grueso P demasiado grueso = P demasiado fino + P usable = 25.3 + 47 = 72.3% A este percentil le corresponde un tamaño de 1.10mm

5.8 Problemas Propuestos 5.1 se desea diseñar un filtro rápido de arena y la arena disponible presenta los siguiente resultados de un prueba de tamices Tamiz Nº 4 12 16 20 30 40 60 fondo

Abertura, mm 4.76 1.68 1.19 0.84 0.59 0.42 0.25 ----

% Retenido 0.2 7.7 14.9 23.5 25.1 18.4 9.0 1.2

a) Determine el tamaño efectivo y el coeficiente de uniformidad de la arena disponible b) Que tamiz debe usarse para eliminar el material demasiado grueso si se desea construir un filtro con una arena de tamaño efectivo de 0.5mm y un coeficiente de uniformidad de 1.5 c) Qué velocidad de retrolavado se requiere para eliminar el material demasiado fino, si la arena se coloca en el filtro después de que el material grueso ha sido removido. d) Que peso de la arena disponible se requiere para producir 1000 libras de arena para el filtro.

5.2 Se desea diseñar un filtro para tratar un caudal de 0.75mgd. Determine las dimensiones del filtro y del sistema de drenaje. Si la arena es la misma utilizada en el problema anterior. Determine las dimensiones de la canaleta o canales de lavado. Asuma 20% de expansión y una temperatura de 20ºC.