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• Maria Cristina Herrera

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1. INTRODUCCION

Los filtros son las unidades más complejas de una planta de tratamiento de agua. Su correcta concepción depende de la interrelación que exista entre las características de la suspensión afluente y los rasgos del medio filtrante, para que predominen los mecanismos de filtración apropiados que darán como resultado la máxima eficiencia posible. El trabajo experimental mediante un filtro piloto es la forma más segura de seleccionar las características de la unidad y los parámetros de diseño para una suspensión determinada. El segundo punto en importancia para optimizar el diseño del filtro es un buen conocimiento de la hidráulica de la unidad. Las evaluaciones efectuadas de estas unidades en toda América Latina indican que es en este terreno que se suelen inscribir las deficiencias más notables en la concepción de los proyectos. La concepción de estas unidades varía dependiendo de las características de la suspensión por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtran agua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En el primer caso, se tratará de las baterías de filtros que integran una planta de filtración rápida completa y, en el segundo, de una planta de filtración directa. A continuación se reúnen y sintetizan los criterios más importantes para efectuar el correcto dimensionamiento de las baterías de filtros de tasa declinante. (www.ingenieriasanitaria.com, 2010)

2. OBJETIVOS Objetivo general Describir el proceso de filtración de tasa declinante y los criterios de diseño usados en éste; a través de una herramienta dinámica de Excel. Objetivo específicos   

Identificar las ventajas de la filtración por tasa declinante Establecer las diferencias entre el mecanismo de funcionamiento de los filtros de tasa declinante y los demás filtros. Demostrar a través de ejemplos los criterios usados para el diseño del proceso de filtración por tasa declinante.

3. MARCO TEORICO  Mecanismo de remoción: Por lo general se piensa de los filtros como un tamiz o una microcriba que atrapa el material suspendido ente los granos del medio filtrante. Sin embargo la acción de colar, cribar o tamizar el agua es la menos importante en el proceso de la filtración, puesto que la mayoría de las partículas suspendidas pueden pasar fácilmente atraves de los espacios existentes entre los granos de medio filtrante. El mecanismo por el cual es filtro retiene y remueve el material suspendido ha sido explicado de distintas maneras por distintos autores, Tchobanoglous resume en los siguientes cuadros los mecanismos de remoción de partículas y los criterios de diseño de estos filtros : Variables principales en el diseño de filtros VARIABLE 1.Caracteristicas del medio filtrante a) Tamaño de grano b) Distribución granulométrica c) Forma, densidad y composición de grano d) Carga del medio 2. Porosidad del lecho filtrante 3.Profundidad del lecho filtrante 4.Tasa de filtración

5.Perdida de carga disponible 6.Caracteristicas del afluente a) Concentración de solidos suspendidos. b) Tamaño y distribución del floc c) Resistencia del floc d) Carga eléctrica del floc e) Propiedades del fluido

SIGNIFICADO Afecta la eficiencia de remoción de partículas y el incremento en perdida de Carga.

Determina la cantidad de solidos que pueden almacenarse en el filtro. Afecta la perdida de carga y la duración de la carrera. Determina el área requerida y la perdida de carga. Afecta la calidad del efluente. Variable de diseño Afectan las características de remoción del filtro.

Mecanismos de remoción en un filtro MECANISMO 1. Cribado a) Mecánico b) Oportunidad de contacto

2. Sedimentación

DESCRIPCION Partículas más grandes que los poros del medio son retenidas mecánicamente. Partículas más pequeñas que los poros del medio son retenidas por unidad de contacto

Las partículas se sedimentan sobre el medio filtrante, dentro

3. Impacto inercial

4. Intercepción

5. Adhesión

6.Adsorcion química a. Enlace b. Interacción química 7. Adsorción física a. Fuerzas electrostáticas b. Fuerzas electrocinéticas c. Fuerzas de Van Der Waals 8.Floculacion 9.Crecimiento biológico

del filtro. Las partículas pesadas no siguen las líneas de corriente

Muchas partículas que se mueven a lo largo de una línea de corriente son removidas cuando entran en contacto con la superficie del medio filtrante. Las partículas floculantes se adhieren a la superficie del medio filtrante .debido a la fuerza de arrastre del agua. Algunas son arrastradas antes de adherirse fuertemente y empujadas más profundamente dentro del filtro .A medida que el lecho se tapona la fuerza cortante superficial aumenta hasta un límite para el cual no hay remoción adicional. Algún material se fugara atraves del fondo del filtro haciendo aparecer turbiedad en el efluente. Una vez que una partícula ha entrado en contacto con la superficie del medio filtrante o con otras partículas la adsorción física y/ o química permite su retención sobre dichas superficies.

Partículas más grandes capturan partículas más pequeñas y forman partículas aún más grandes. Reducen el volumen del poro y puede promover la remoción de partículas.

 Descripción de la filtración: El filtro rápido por gravedad es el tipo de filtro más usado en tratamiento de aguas. La operación de filtración supone dos etapas filtración y lavado. En un filtro rápido convencional, el final de la etapa de filtración o carrera del filtro se alcanza cuando los sólidos suspendidos (turbiedad) en el efluente comienzan a aumentar; cuando la perdida de carga es tan alta que el filtro ya no produce agua a la tasa deseada, usualmente 2,4 m de perdida, o cuando la carrera del filtro es de 36 horas o más. Generalmente, cuando una de las condiciones anteriores se presenta, se lava el filtro para retirar el material suspendido acumulado dentro del lecho filtrante y para recuperar su capacidad de filtración. Usualmente el lavados se hace invirtiendo el flujo atraves del filtro, aplicando un flujo suficiente de agua para fluidizar el medio filtrante y producir el frote entre los granos del mismo, y desechando el material removido atraves de las canaletas del lavado.

 Sistemas de filtración: Estos pueden clasificarse de acuerdo a la dirección del flujo, el tipo de lecho filtrante, la fuerza impulsora, la tasa de filtración y el método de control de la tasa de filtracion. o o

Dirección del flujo: de acuerdo con la dirección del flujo, los filtros pueden ser de flujo hacia abajo, hacia arriba, o de flujo dual. Tipo de lecho filtrante: los filtros utilizan generalmente un solo medio , arena o antracita, o un lecho mezclado: arena, antracita y granate o ilmenita.

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Fuerza impulsora: de acuerdo con la fuerza impulsora utilizada para vencer la resistencia friccional ofrecida por el lecho filtrante, los filtros se clasifican como filtros de gravedad y de presión. El filtro por gravedad es el filtro más usado en plantas de purificación de agua. El filtro a presión se ha usado principalmente en la filtración de aguas para piscinas y pequeñas plantas donde su instalación es ventajosa.

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Tasa de filtración: Los primeros filtros usados para tratamiento de agua fueron los filtros lentos, los cuales utilizan una capa de 1 metro de arena fina, soportada sobre un lecho de grava de aproximadamente 0,30 m, luego estos se reemplazaron por filtros rapidos, filtros de arena , con lavado ascensional, con tasas de filtracion mucho mayores.

o

Método de control: Se puede decir que todos los sistemas de control de filtros tienen por objeto minimizar las variaciones bruscas en la taza de filtracion y prevenir las altas velocidades de flujo al inicio de la carrera de los filtros, para impedir las fugas de turbiedad y consecuente perdida de calidad en el efluente. La tasa de filtración puede representarse así:

Tasade filtracion=

Fuerza impulsora Resistenciadel filtro

En la ecuación anterior la fuerza impulsora representa la perdida de presión en el filtro el cual empuja el agua atraves del filtro. Al comenzar la carrera de filtracion el filtro esta limpio; la fuerza impulsora requerida es minima pues solo se requiere vencer la resistencia del lecho filtrante limpio y del sistema de drenaje. A medida que se efectua la filtracion los solidos suspendidos removidos se acumulan dentro del medio filtrante; la fuerza impulsora debe vencer la resistencia ofrecida por el lecho taponado y el sistema de drenaje. Por lo tanto si se desea mantener una tasa constante de filtracion la fuerza impulsora debe aumentar proporcionalmente al aumento de la resistencia del filtro, de lo contrario el caudal atraves del filtro disminuye y la filtracion será de tasa declinante.

Los principales métodos usados para controlar la tasa de filtracion son los siguientes:  Perdida de carga constante, filtracion de tasa constante  Perdida de carga variable, filtracion a nivel constante  Filtracion con afluente igualmente distribuido  Perdida de carga variable, nivel variable, tasa declinante con vertedero de control. 6. FILTRACION POR TASA DECLINANTE

El efluente entra al filtro por debajo del nivel de la canaleta de lavado. Cuando el nivel del agua en los filtros es inferior al nivel de la canaleta de lavado, la instalación opera como la de efluente igualmente distribuido (el cauda es distribuido por igual mediante un orificio o vertedero de entrada sobre cada filtro) .Cuando el nivel del agua es superior al nivel de la canaleta de lavado la instalación es de tasa declinante, en general, el nivel del agua solo estará debajo de la canaleta de lavado cuando se laven todos los filtros en secuencia rápida o cuando la planta haya sido saca de servicio y se haya suspendido el efluente. En la mayoría de los casos la perdida de energía en la tubería, el medio y el drenaje, será de 0,9 a 1,2 m y mantendrá el nivel minimo de agua por encima de la canaleta de lavado.El nivel de agua es esencialmente el mismo en todos los filtros, pára lo cual se provee una tubería o canal afluente común a todos ellos, con perdida de carga despreciable osea sin restricciones de entrada, la tubería o canal y valvula afluente, deberá ser capaz de entregar el caudal que cada filtro pueda tomar en cualquier momento. Se debe colocar un orificio o valvula sobre la tubería efluente para prevenir las altas tasas de filtracion que ocurrirían cuando el filtro esta limpio, el orificio se calcula de acuerdo al caudal deseado.Cada filtro acepta en cualquier momento la proporcion de caudal total que el nivel común de agua le permite manejar. A medida que la filtración procede, el flujo atraves del filtro mas sucio disminuye mas rápidamente, esto hace que el caudal se

redistribuya automáticamente y los filtros mas limpios acepten la capacidad de perdida por los filtros mas sucios. La redistribución de caudal eleva ligeramente el nivel de agua para proveer la energía adicional necesaria para impulsar en los filtros mas limpios el caudal disminuido de los filtros mas sucios. El filtro mas limpio acepta el mayor incremento de caudal en la redistribución. A medida que el nivel de agua se eleva se afecta principalmente el caudal disminuido de los filtros mas sucios y como resultado el caudal no disminuye tan rápidamente como era de esperarse, asi pues las ventajas que tiene la operación de filtros de tasa declinanteson la siguientes:  Para aguas que muestran tendencia a deteriorar su calidad al final de la carrera de filtracion, los filtros de tasa declinante proveen un efluente mejor que los de tasa constante.  Los filtros de tasa declinante requieren menos perdida de carga que los de tasa constante porque el caudal atraves del filtro es menor hacia el final de la carrera de filtracion.  La perdida de carga en el drenaje y en la tubería efluente disminuye (es proporcional al cuadrado del caudal) y la disminución soporta un periodo adicional de carrera ,lo cual no es posible con los de tasa constante, de la misma manera la perdida de carga atraves del lecho taponado disminuye linealmente con el caudal decreciente.  No requieren una carga hidráulica muy grande para operar. Los filtros de tasa constante operan con una carga hidráulica de 1,80 a 2 metros para completar una carrera de operación de 40 a 50 horas en promedio.  No tienen galería de tubos. El transporte del agua decantada, filtrada, el agua para el retrolavado de los filtros y el desagüe del agua de lavado se efectúan mediante canales.  No se requiere tanque elevado ni equipo de bombeo para efectuar el retrolavado de un filtro. A través del canal de interconexión y debido a un especial diseño hidráulico del sistema, el agua producida por lo menos por tres filtros retrolava a una unidad.  Debido al especial diseño hidráulico de estos sistemas, el operador solo debe cerrar el ingreso de agua decantada y abrir la salida de agua de lavado para que el lavado se produzca en forma automática y con la expansión correcta (25 a 30%).  No se requiere instrumental sofisticado ni consolas o pupitres para la operación, aunque en las plantas grandes se los suele incluir.  La batería de filtros opera bajo el principio de vasos comunicantes. Las unidades están intercomunicadas por la entrada a través del canal de entrada y también del canal de interconexión en la salida.  Por esta característica, las unidades presentan todas los mismos niveles y es posible controlar el nivel máximo de toda la batería, con un solo vertederoaliviadero en el canal de entrada.  Escasa dificultad y bajo costo de mantenimiento. El tipo de operación mas apropiado para filtros por gravedad es el de tasa declinante, a menos que la energía disponible de diseño se bastante alta por ejemplo mayor de 3 metros , allí los de tasa constante y de presion son mas económicos.

7. PARTES DE UN FILTRO DE TASA DECLINANTE Caja del filtro: Es la parte más importante de la unidad. Podemos apreciar del fondo hacia arriba: el falso fondo, el drenaje generalmente del tipo de viguetas prefabricadas de concreto, la capa soporte de grava, el lecho filtrante, las canaletas secundarias de lavado y el canal principal de lavado, que recibe el agua del retrolavado colectada por las canaletas secundarias. Por encima de este nivel se ubican las cargas de agua necesarias para el funcionamiento de la batería (carga hidráulica para el lavado y carga hidráulica para el proceso de filtrado), las cuales determinan la profundidad total de la caja del filtro y se limitan mediante vertederos. Canal de distribución de agua decantada. Alimenta las cajas de los filtros a través de las válvulas de entrada de cada unidad. En la parte superior de este canal se ubica el vertedero que limita la carga hidráulica máxima disponible para la operación con tasa declinante de la batería de filtros. Canal de desagüe de agua de retrolavado. Ubicado debajo del anterior, recibe el agua del retrolavado de los filtros. En este canal se acostumbran reunir también los desagües de los decantadores (véase la válvula al lado derecho del canal de la figura 5-6) y floculadores, por lo que constituye el canal emisor de la planta. Canal de aislamiento. Recibe este nombre porque tiene la función de aislar una unidad del resto de la batería, cerrando la válvula de entrada y la compuerta de salida que comunica con el canal de interconexión ubicado a su izquierda. Este canal se localiza contiguo a la caja del filtro y se comuni ca con ella a través del canal del falso fondo en toda su sección, lo cual permite una distribución pareja del agua de lavado a todo lo ancho del drenaje. Canal de interconexión de la batería. Cumple dos funciones importantes: *Durante la operación normal de filtración, reunir el efluente de todos los filtros y sacarlo a través del vertedero que controla la carga hidráulica de lavado. *Durante la operación de lavado de una unidad, al bajar el nivel del agua por debajo del vertedero de salida facilita que se derive automáticamente el agua filtrada producida por las otras unidades en operación (por lo menos tres) hacia el filtro que se encuentra en posición de lavado.

8. CRITERIOS DE DISEÑO Geometría de la batería Área de cada filtro y número de filtros  El número mínimo de filtros en una batería de tasa declinante y lavado mutuo es de cuatro unidades, de tal manera que tres toman el caudal de toda la batería al momento de lavar una unidad.  El área de la caja de un filtro debe ser tal que al pasar todo el caudal de la batería por un filtro, se produzca la velocidad ascensional (VL) apropiada para expandir en 30% el lecho filtrante. Área de un filtro (Af) = Q / VL (1)  El área total de la batería de filtros se define por la relación del caudal de diseño de la batería sobre la tasa de filtración seleccionada (Vf) de acuerdo con el tipo de lecho filtrante, las características del afluente y el nivel de operación local. Área total de filtración (At) = Q / Vf (2)  El número de filtros de la batería se obtiene por la relación del área total filtrante entre el área de un filtro. Debe ajustarse la velocidad (Vf) hasta que dé un número exacto de filtros. Número de filtros (N) = At /Af (3)  El ingreso del agua decantada a la caja del filtro debe efectuarse en un nivel más bajo que el nivel mínimo de operación, para que cada filtro tome el caudal que puede filtrar de acuerdo con su estado de colmatación.  Por la facilidad de operación y mayor duración, deben colocarse válvulas mariposa en la entrada del agua decantada al filtro y la salida del retrolavado al canal de desagüe. (Rojas, 1996)

Bibliografía  Rojas, J. R. (1996). Acuipurificacion. En J. R. Rojas.  www.ingenieriasanitaria.com. (2010). Obtenido http://www.ingenieriasanitaria.com/web15/manual2/ma2_cap5.pdf

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