Filtración rápida

FILTRACION FIL TRACION RAPIDA

Los filtros rápidos en arena, aparecieron en Estados Unidos, en 1855. La gran innovación fue fue en la limpieza del lecho filtrante, filtrante, pues en lugar de hacerse raspando la capa superior del mismo, se hacia invirtiendo el sentido del flujo, que en modo filtración era de arriba hacia abajo y en modo lavado de abajo hacia arriba, con lo cual cual se eliminaban las impurezas que habían quedado retenidas en el lecho. Esto facilitaba la operación casi continua del filtro y permitía uso de cargas superficiales considerablemente mayores (aproximadamente 30 veces más) que la de los filtros lentos.

FILTRACION FILTRACION RAPIDA En los últimos años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido desarrollando notablemente, logrando mayores eficiencias con base en un mejoramiento del medio filtrante, y una optimización de los procesos de operación, en especial en el medio filtrante donde la tecnología de membrana de micro, ultra y nano filtración, se convierten en un gran desarrollo tecnológico para tratamiento de agua. Sin embargo los principios fundamentales de la teoría de la filtración se siguen aplicando, incluso en los procesos modernos. 2

FILTRACION FILTRACION RAPIDA En los últimos años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido desarrollando notablemente, logrando mayores eficiencias con base en un mejoramiento del medio filtrante, y una optimización de los procesos de operación, en especial en el medio filtrante donde la tecnología de membrana de micro, ultra y nano filtración, se convierten en un gran desarrollo tecnológico para tratamiento de agua. Sin embargo los principios fundamentales de la teoría de la filtración se siguen aplicando, incluso en los procesos modernos. 2

FILTRACION FILTRACION RAPIDA La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso. En general, general, la filtración es la operación final de de clarificación que se realiza en una una planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de calidad coincidente con los estándares de potabilidad.

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TIPOS DE UNIDADES DE FILTRACIÓN La filtración puede efectuarse de muchas formas: Con baja carga superficial (filtros lentos) Con alta carga superficial (filtros rápidos) En medios porosos (pastas arcillosa, papel filtro) En medios granulares (arena, antracita, con flujo ascendente de abajo hacia arriba o descenderte de arriba hacia abajo y mixto (parte ascendente y parte descendente). Por último el filtro puede trabajar a presión o por gravedad, según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante. 4

TIPOS DE UNIDADES DE FILTRACIÓN RAPIDA SEGÚN LA VELOCIDAD SEGÚN EL MEDIO FILTRANTE DE FILTRACIÓN USADO

Rápidos: 120 – 360 m3/m2/día

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1.Arena ( h =60-75 cm) 2.Antracita ( h =60-75 cm) 1.Mixtos: Arena ( h =20-35 cm) Antracita( h =35-50 cm)

SEGÚN EL SENTIDO DEL FLUJO

Ascendentes Descendentes Flujo mixto

SEGÚN LA CARGA SOBRE EL LECHO

Por gravedad Por presión

CARGA SUPERFICIAL La filtración se identifica por la velocidad de pasaje del agua a través del manto filtrante o del manto poroso, medida como carga superficial CS, o sea el cociente entre el caudal, Q, y el área filtrante Af.

 = En donde Af= Área superficial (m 2) Q= Caudal que entra al filtro (m3/s) CS= Carga superficial (m3/m2/d)

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FILTRACIÓN POR GRAVEDAD La filtración rápida, realizada por gravedad, usualmente se emplea en las plantas de tratamiento para fines de abastecimiento público. El factor económico es la variable que define su preferencia de uso. Estas unidades pueden ser de flujo ascendente y ser operadas con tasa de filtración constante o declinante. Cuando es de flujo descendente, la filtración rápida puede realizarse con tasa declinante o constante en filtros de lecho único de arena o de lechos múltiples. 7

FILTRACIÓN ASCENDENTE La filtración ascendente presenta la ventaja de que el agua afluente escurre en el sentido en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño, lo que hace posible que todo el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en la remoción de partículas suspendidas. Aunque en la filtración ascendente de agua decantada las carreras de filtración resultan más largas si se las compara con la filtración descendente en lecho de arena, la carga hidráulica necesaria aguas arriba de los filtros y el mayor espesor de la capa han limitado mucho el uso de la filtración ascendente. 8

FILTRACIÓN ASCENDENTE Las principales características comunes a estas unidades son las siguientes: Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m2/día. Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los más comunes. Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual parten tuberías individuales provistas de medidores y reguladores de caudal.

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FILTRACIÓN ASCENDENTE Las principales características comunes a estas unidades son las siguientes: Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m2/día. Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los más comunes. Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual parten tuberías individuales provistas de medidores y reguladores de caudal.

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FILTRACIÓN ASCENDENTE

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MECANISMOS DE FILTRACIÓN El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico, afectado principalmente por los parámetros que gobiernan la transferencia de masas. La adherencia entre partículas y granos es básicamente un fenómeno de acción superficial, que es influenciado por parámetros físicos y químicos. Los mecanismos que pueden realizar transporte son los siguientes: Cernido, sedimentación, intercepción, difusión, impacto inercial, acción hidrodinámica y mecanismos de transporte combinados. Los mecanismos de adherencia son los siguientes: Fuerzas de Van der Waals, fuerzas electroquímicas y puente químico. 12

MECANISMOS DE TRANSPORTE Cernido Resulta evidente que cuando la partícula es de tamaño mayor que los poros del lecho filtrante, puede quedar atrapada en los intersticios. El cernido, en general, actúa solo en las capas más superficiales del lecho y con partículas relativamente fuertes, capaces de resistir los esfuerzos cortantes producidos por el flujo, cuya velocidad aumenta en las constricciones.

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MECANISMOS DE TRANSPORTE Sedimentación La remoción de las partículas menores que los tamaños de los poros puede ser debido al efecto de la gravedad, que hace que se sedimenten sobre la superficie de los granos.

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MECANISMOS DE TRANSPORTE Intercepción Cuando la velocidad de escurrimiento es baja y las partículas suspendidas tienen densidades aproximadamente iguales a la del agua, estas viajan a lo largo de líneas de flujo. Inicialmente el floc, comienza a pegarse a la cara superior de los granos hasta llegar a cubrirlos completamente, formando una película que va creciendo con el tiempo, disminuyendo el tamaño de las constricciones por lo que aumentan el esfuerzo cortante, lo cual hace aparecer segmentos que cuelgan de los granos hasta que eventualmente se rompen para ser retenidos por granos mas profundos que se encuentran menos recubiertos. 15

MECANISMOS DE TRANSPORTE Difusión Debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas a difundirse desde zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. Si se tiene en cuenta que la mayor parte de las partículas que entran en un filtro tienen un tamaño menor que 10 u (15), la difusión se constituye en una causa importante de la remoción de arcilla, más que todo en zonas donde la velocidad de flujo es prácticamente cero. La eficiencia del filtro debida a la difusión es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al diámetro de la partícula del grano. 16

MECANISMOS DE TRANSPORTE Impacto inercial

Durante el escurrimiento, las líneas de flujo se curvan en la proximidad de los granos del medio filtrante; si la velocidad es alta y las partículas suspendidas relativamente grandes, la inercia que poseen hace que estas puedan seguir trayectorias diferentes a las líneas de flujo, continuando con su recorrido original lo cual hace que choquen con los granos del lecho para quedar adheridas a ellos.

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MECANISMOS DE TRANSPORTE Acción hidrodinámica

La remoción de partículas flocúlenlas de tamaño relativamente grande (~ 10 µm) es atribuida a la acción hidrodinámica. La comprensión de este mecanismo se facilita cuando se considera un escurrimiento en el que el gradiente de velocidad es constante.

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MECANISMOS DE ADHERENCIA La adherencia entre las partículas transportadas y los granos está gobernada, principalmente, por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de los granos. Las partículas se pueden adherir directamente tanto a la superficie de los granos como a partículas previamente retenidas. La adherencia es atribuida más que ha mecanismos puramente físicos, a una serie de factores químicos y electroquímicos, siendo los mas importantes las fuerzas de Van der Waals, las fuerzas electrocinéticas y el puente químico. 19

MECANISMOS DE ADHERENCIA Fuerzas de Van der Waals.

Dentro de una pequeña distancia desde la superficie de los granos, las fuerzas de adhesión son operativas, existiendo un volumen alrededor de cada grano que se llama espacio de adhesión. Las partículas suspendidas que entran en él pueden ser removidas del flujo, a medida que sean atraídas para adherirse a la superficie de los granos. 20

MECANISMOS DE ADHERENCIA Fuerzas electrostáticas.

Teniendo en cuenta la carga eléctrica de los granos y las partículas se pueden presentar tres situaciones: Los granos son negativos y las partículas positivas. En este caso existe una fuerza atractiva entre el medio filtrante y las partículas, lo que hace que la sola aproximación pueda producción atracción y adhesión. Los granos son negativos y las partículas neutras. En este caso la barrera de energía ha desaparecido y todo contacto puede producir adhesión. Los granos son negativos y las partículas también. En este caso existe repulsión. No obstante, las fuerzas hidrodinámicas pueden vencer la barrera de energía y aproximar suficientemente las partículas a los granos para que sean efectivas las fuerzas de Van der 21

MECANISMOS DE ADHERENCIA Puente químico.

Las cadenas poliméricas adheridas a la superficie de las partículas dejan sus segmentos activos extendidos en el agua. Dichos segmentos pueden ser absorbidos por otras partículas o por sitios vacantes en la superficie de los granos.

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COMPONENTES DE UN FILTRO.

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LECHO FILTRANTE Lecho filtrante.

Los materiales filtrantes deben ser claramente especificados, de manera que no quede duda alguna sobre su granulometría. Los parámetros que se deben emplear para este fin son los siguientes: Tamaño efectivo: en relación con el porcentaje (en peso acumulado) que pasa por las mallas de una serie granulométrica, el tamaño efectivo se refiere al tamaño de granos correspondiente al porcentaje de 10%.

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LECHO FILTRANTE Coeficiente de uniformidad (CU): En relación con el porcentaje (en peso acumulado) que pasa por las mallas de una serie granulométrica, el coeficiente de uniformidad es igual a la relación entre el tamaño de los granos correspondientes a 60% y el tamaño de los granos correspondiente a 10%. Sería mejor que este coeficiente se llamase de desuniformidad, pues su valor se incrementa a medida que el material granular es menos uniforme. 25

LECHO FILTRANTE Forma: La forma de los granos normalmente se evalúa en función del coeficiente de esfericidad (Ce). El coeficiente de esfericidad de una partícula se define como el resultado de la división del área superficial de la esfera de igual volumen a la del grano por el área superficial de la partícula considerada. Como es obvio, este valor resulta igual a la unidad para las partículas esféricas y menor de uno para las irregulares. Tamaño mínimo: Tamaño por debajo del cual no deben encontrarse granos en el medio filtrante. Tamaño máximo: tamaño por encima del cual no deben encontrarse granos en el medio filtrante. 26

LECHO FILTRANTE Normalmente, la antracita se prepara entre las mallas de la serie Tyler de aberturas 0,59 y 1,68 ó 2,00 mm, con un tamaño efectivo que varía entre 0,80 y 1,10 mm, y un coeficiente de uniformidad inferior a 1,5. La arena normalmente es preparada entre las mallas de aberturas entre 0,42 y 1,19 ó 1,41 mm, con un tamaño efectivo que varía entre 0,50 y 0,60 mm y un coeficiente de uniformidad inferior a 1,5 El cuadro muestra valores normales para el coeficiente de esfericidad y peso específico de los materiales filtrantes más usuales.

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LECHO FILTRANTE La experiencia ha demostrado que existe una relación entre el espesor de la capa de arena y la de antracita en un filtro de dos medios; en general, el espesor de la capa de antracita representa de 60 a 80%; y la arena, de 20 a 40% del espesor total del medio filtrante. De este modo, un medio filtrante de 70 cm de espesor tendrá aproximadamente 50 cm de antracita y 20 cm de arena. Asimismo, para el caso de filtros de lecho simple, la experiencia y diversas investigaciones han permitido establecer espesores recomendados para diferentes casos: filtración de agua decantada, filtración directa o filtración descendente o ascendente. 28

LECHO FILTRANTE Grava de soporte. La grava de soporte se coloca sobre el sistema de drenaje cuando éste lo requiere y tiene un doble propósito: Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante La filtración; y hacer que se distribuya el agua de lavado, evitando la formación de chorros.

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LECHO FILTRANTE Grava de soporte. La grava de soporte se coloca sobre el sistema de drenaje cuando éste lo requiere y tiene un doble propósito: Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante La filtración; y hacer que se distribuya el agua de lavado, evitando la formación de chorros.

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LECHO FILTRANTE

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LECHO FILTRANTE Sistema de drenaje. La función del sistema de drenaje que se coloca en el fondo del filtro es doble: • •

Recolectar y extraer uniformemente el agua filtrada Distribuir el agua de lavado con presión uniforme.

Los sistemas de drenaje pueden clasificarse en tres tipos: tuberías perforadas, falsos fondos y placas porosas.

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CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO 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 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 33

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

CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO Forma y dimensiones de los filtros. Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en planta son establecidas teniendo en cuenta que la geometría de los filtros se acomode al esquema general de la planta tratando de aprovechar los muros de las otras unidades, con lo que se logra máxima economía de la estructura.  

=

1 ≤

Donde: N = Número de filtros B = Ancho del filtro [m] L = Largo del filtro [m] 34

2.  +1  

≤3