FILTROS PERCOLADORES

FILTROS PERCOLADORES “Haría falta que enseñaseis a vuestros hijos que el suelo que pisan son las cenizas de los abuelos. Respetarán la tierra si les dices que está llena de vida de los antepasados. Hace falta que vuestros hijos lo sepan, igual que los nuestros, que la tierra es la madre de todos nosotros. Que cualquier estrago causado a la tierra lo sufren sus hijos. El hombre que escupe a tierra, a sí mismo se está escupiendo......" (Mensaje del Gran Jefe Seattle al Presidente de los EEUU. 1855)

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES FILTROS PERCOLADORES

PAOLA ANDREA HERNÁNDEZ ACERO SILVIA LILIANA PARRA CASTILLO MARJOAN ANDRÉS ROBAYO MORENO DIANA MAYERLI RODRÍGUEZ ANAYA

PRESENTADO A: JORGE VIRGILIO RIVERA Docente

UNIDADES TECNOLÓGICAS DE SANTANDER FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES E INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AMBIENTAL BUCARAMANGA 2014

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES FILTROS PERCOLADORES

TABLA DE CONTENIDO Pág.

1.

MARCO REFERENCIAL .............................................................................. 1

1.1.

COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ..... 1

1.2.

TRATAMIENTO SECUNDARIO................................................................... 2

2.

FILTRO PERCOLADOR .............................................................................. 3

2.1.

GENERALIDADES................................................................................... 3

2.2.

CONCEPTOS BÁSICOS............................................................................ 9

2.2.1.

Carga Orgánica ............................................................................... 9

2.2.2.

Carga hidráulica .............................................................................. 9

2.2.3.

Proceso microbiológico ................................................................... 10

2.3.

CARACTERÍSTICAS .............................................................................. 10

2.3.1.

Geometría .................................................................................... 10

2.3.2.

Medios de soporte ......................................................................... 11

2.3.3.

Profundidad del filtro ..................................................................... 11

2.3.4.

Configuración ............................................................................... 11

2.3.5.

Recirculación ................................................................................ 11

2.3.6.

Ventilación ................................................................................... 12

2.3.7.

Distribución del caudal ................................................................... 13

2.3.8.

Sistemas de desagües inferiores ...................................................... 13

2.3.9.

Sedimentadores ............................................................................ 14

2.4.

CARACTERÍSTICAS .............................................................................. 14

2.4.1.

Filtros de baja carga ...................................................................... 14

2.4.2.

Filtros de alta carga ....................................................................... 14

2.4.3.

Filtros percoladores convencionales o de tasa baja ............................. 14

2.4.4.

Filtros de tasa intermedia ............................................................... 15

2.4.5.

Filtros de tasa alta ......................................................................... 15

2.4.6.

Filtros de tasa súper alta ................................................................ 16

2.5.

CRITERIOS DE DISEÑO ........................................................................ 17

2.6.

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO ........................ 18

3.

TRABAJOS CITADOS .............................................................................. 20

4.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 21

LISTADO DE TABLAS Pág. Tabla 1. Generalidades de los filtros percoladores .................................................. 9 Tabla 2. Características de diseño para los diferentes tipos de filtros percoladores (Lin, Lee C, y S Dar, 2000) ....................................................................... 16 Tabla 3. Criterios de diseño para filtros percoladores, según tipo de operación y medio de contacto. .................................................................................. 17

LISTADO DE FIGURAS Pág. Figura 1. Sistema de tratamiento de aguas residuales industriales. ........................... 1 Figura 2. Proceso de tratamiento aeróbico............................................................. 3 Figura 3. Partes de un filtro percolador. ................................................................ 5 Figura 4. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador ..................... 6 Figura 5. . Esquema de un filtro percolador con recirculación. .................................. 6 Figura 6. Diagramas de flujo típicos para filtros percoladores de una y dos etapas (Valencia). .............................................................................................. 12

LISTADO DE FOTOGRAFÍAS Pág. Fotografía 1. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en el filtro percolador. ........................................................................................ 7 Fotografía 2. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R., 2001). ....................................................................................... 8 Fotografía 3. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje. .................... 8

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1. MARCO REFERENCIAL 1.1.

COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Para poder cumplir con las condiciones mínimas para la descarga de los efluentes o para seguir con su posterior tratamiento (secundario), es necesario contar con las etapas de pre-tratamiento y de tratamiento primario, realizando en estas los controles requeridos en pH, temperatura, SST (sólidos suspendidos totales), DBO5 (demanda bioquímica de oxígeno), metales, aceites y grasas1. De manera general se puede realizar una clasificación de los tratamientos a emplear, según se muestra a continuación, en la Figura 1:

Figura 1. Sistema de tratamiento de aguas residuales industriales. 1

Formulación de Planes de Pre-tratamiento de Efluentes Industriales, 2002

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1.2.

TRATAMIENTO SECUNDARIO

El tratamiento secundario es empleado para la remoción de DBO5 soluble y de cantidades adicionales de sólidos suspendidos que no lograron ser tratados con los sistemas primarios. Estas remociones se efectúan fundamentalmente por medio de métodos bioquímicos donde se utilizan microorganismos que metabolizan la materia orgánica que está presente en las aguas residuales para disminuir la contaminación en mayor medida de lo realizado en las etapas previas. No es recomendable utilizar estos métodos cuando los efluentes a tratar contengan sustancias tóxicas o aceites y grasas ya que en el primer caso el metabolismo de los microorganismos se ve afectado por estas sustancias y en el segundo porque los aceites y grasas no son de fácil digestión. Para clasificar los sistemas se tiene en cuenta la naturaleza de la población seleccionada, como el criterio con el cual trabajar, por lo que finalmente estos microorganismos se pueden agrupar en tres categorías de sistemas: aeróbicos, anaeróbicos y facultativos.

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2. FILTRO PERCOLADOR 2.1.

GENERALIDADES

También llamados Biofiltros, los filtros percoladores son unidades de tratamiento biológico que dentro del sistema global de tratamiento de aguas residuales tienen la labor de remover la materia orgánica mediante la metabolización de está a cargo de una población bacteriana adherida a un medio filtrante, traduciéndose esto en un efluente con una menor concentración de DBO5. Este efluente continuará la cadena de tratamiento hasta cumplir con las especificaciones técnicas para su descarga final. En la obtención de un alto grado de eficiencia en la remoción de DBO5 está involucrada la cantidad de microorganismos que trabajan en el sistema así como determinados factores ambientales que afectan el proceso por lo que es indispensable crear las condiciones adecuadas que favorezcan el crecimiento de la población bacteriana de manera controlada.

Figura 2. Proceso de tratamiento aeróbico. Fuente: Formulación de Planes de Pre-tratamiento de Efluentes Industriales, 2002.

Estos microorganismos al entrar en contacto con la materia orgánica presente en las aguas residuales utilizan la misma como una fuente alimenticia obteniendo del proceso metabólico involucrado, como salidas, los efluentes de agua tratada y el CO2. El mayor problema con este tipo de sistemas es el suministro del oxígeno necesario para el crecimiento de esta población de microorganismos, por lo que se emplean métodos naturales o artificiales para el mismo. Se tiene que tener presente que a

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mayor población bacteriana, estas tendrán mayores requerimientos energéticos, por lo que el proceso de tratamiento de la materia orgánica será mucho más eficiente. El objetivo en sí es la búsqueda de las condiciones ideales que favorezcan el crecimiento de estos microorganismos, por lo que las principales diferencias entre los diferentes sistemas de tratamiento aeróbicos es la forma en que se va a suministrar el oxígeno y el medio de soporte físico para la población de microorganismos. Una consideración adicional a tener en cuenta es la cantidad de lodos que se generan en estos procesos aeróbicos y que necesitan ser estabilizados y dispuestos adecuadamente. A pesar de su nombre (filtro percolador) esta unidad no realiza un proceso de filtración propiamente dicho, sino que se trata de una torre de contacto en la que el agua residual escurre, desde arriba, por un lecho fijo en el que la biomasa se encuentra adherida. Este lecho fijo se compone de piedras o, más recientemente, de piezas plásticas u otro material, sobre las cuales se realiza una aspersión de las aguas residuales, mediante un brazo rotatorio con orificios o boquillas, el cual es movido por un motor o por la misma acción dinámica del agua al golpear con la superficie del lecho. Con el tiempo, se forma una biopelícula (biofilm), llamada también zooglea, sobre este material de soporte; esta biopelícula o lama biológica de microorganismos se encargará de tomar como alimento (adherir y descomponer), la materia orgánica biodegradable presente en las aguas del afluente. Esta biomasa adherida se encuentra formada, principalmente, por protistas: bacterias (aerobias y facultativas, principalmente), hongos (que predominarán si se trabaja con pH bajos) y protozoos. También se presentan larvas de insectos y caracoles. En la superficie del filtro, por efecto de la luz solar, suelen crecer comunidades de algas que podrían llegar a obstruir parcialmente el filtro.

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Figura 3. Partes de un filtro percolador. Fuente: http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamientos/blandos/diseno6.gif

En la medida en que avanza la operación del filtro, la biopelícula aumenta gradualmente su espesor sobre la superficie de las rocas o piezas plásticas. Esto causa que la materia orgánica que se absorbe, sea empleada por los microorganismos de la parte más superficial “capa externa”, dejando a los de la parte interna con menos alimento y oxígeno. En consecuencia, esta “capa interna” entra en fase de crecimiento endógeno provocando pérdida de adherencia al medio de soporte, hasta que termina por desprenderse. Todo lo anterior provoca un ciclo de auto-limpieza en el filtro percolador que evitará su colmatación por engrosamiento de la biomasa adherida.

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Figura 4. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador Fuente: Jairo Romero Rojas, 1999.

Aunque el filtro percolador suele operarse con recirculación del efluente clarificado proveniente del decantador secundario, no es requisito indispensable; no obstante, ayuda a recomponer rápidamente la biomasa que se desprende del lecho fijo, mejorando la eficiencia del proceso de depuración. Siempre que se hable de un filtro percolador de alta tasa, se estará afirmando que tiene recirculación.

Figura 5. . Esquema de un filtro percolador con recirculación. Fuente:http://webcd.usal.es/

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Por ejemplo, si se dice que la relación de recirculación es de 0,5, significará que la mitad del efluente clarificado del decantador secundario, se hará pasar nuevamente por el filtro percolador. Así mismo, si la relación de recirculación es de 2, indicará que se hará pasar todo el efluente del decantador secundario, dos veces más por el filtro percolador.

Fotografía 1. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en el filtro percolador. Fuente: http://www.icceltda.com/

Es importante asegurar la ventilación de la torre del filtro percolador, con el fin de mantener unas condiciones aerobias. Para ello, se suelen disponer aberturas (ventanas) en la base del biofiltro, las cuales deben sumar un área de entre 10 y 25% de su área superficial.

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Fotografía 2. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R., 2001).

Fotografía 3. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje. Fuente: http://www.egevasa.es/

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Tabla 1. Generalidades de los filtros percoladores GENERALIDADES Este tipo de proceso de tratamiento ha sido bastante utilizado por municipalidades con población entre 2 000 y 30 000 habitantes y por industrias con una población equivalente similar (Valencia). Los costos de inversión inicial y de operación son bajos, lo cual los hace bastante atractivos, comparados a otros tratamientos aeróbicos (Valencia). El tipo de medio filtrante a utilizar determina las tasas orgánicas e hidráulicas a aplicar, influyendo esto en la eficiencia del proceso de remoción de DBO5. La eficiencia de todo el sistema de filtración biológica puede variar entre 65 y 95%, dependiendo de las características de las aguas residuales, de las cargas hidráulica y orgánica que se le apliquen al filtro percolador y de la disposición de las unidades de tratamiento (RAS, 2000). No requiere personal altamente calificado para controlar su operación ya que es bastante simple cuando se le compara con otros procesos físicos-químicos o biológicos de tratamiento de aguas residuales (Valencia).

2.2.

CONCEPTOS BÁSICOS

2.2.1. Carga Orgánica La carga orgánica es el flujo másico de materia orgánica por unidad de volumen del filtro. Entre mayor sea la carga orgánica, mayor será la relación alimento microorganismos y más rápido crecerá la población de bacterias del sistema, por lo que se tendrá una menor concentración de sustrato en el efluente si la aireación, composición de sustrato u otro factor, no se convierten en limitantes. La carga orgánica se expresa como la tasa a la que se suministra al sistema la demanda de oxígeno (kg DQO/m3día ó kg DBO5/m3día). 2.2.2. Carga hidráulica La carga hidráulica es equivalente a la velocidad superficial que tiene el agua residual con la recirculación al pasar por el área plana del corte transversal del filtro. Sin embargo ya que el flujo por el medio filtrante es en láminas delgadas, la velocidad real es mayor; el incremento de la carga hidráulica es proporcional a la velocidad real. La carga hidráulica afecta al tiempo de residencia del líquido que se filtra a través del medio filtrante y simultáneamente a la cantidad de líquido retenido en cualquier momento por el medio filtrante. Es decir, el tiempo de retención disminuye con el aumento de la carga hidráulica. Podemos mencionar la existencia de límites para la carga hidráulica:

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 

La mínima es aproximadamente 1.8m3/(m2hora) y si no es suficiente, será necesario una recirculación. Como límite superior se debe prever que no haya desprendimiento excesivo de biomasa.

Con esto se puede entender que es muy importante el control de la carga hidráulica en el filtro para su buen funcionamiento. 2.2.3. Proceso microbiológico La comunidad biológica que se encuentra dentro de un filtro percolador pertenece principalmente al reino protista, donde se encuentran: bacterias aeróbicas, anaeróbicas y facultativas, hongos, algas y protozoarios. También se encuentran otro tipo de animales como gusanos, larvas de insectos y lombrices. Los microorganismos que predominan son las bacterias facultativas. En general las bacterias son las encargadas de degradar la materia orgánica del agua residual. Las especies más comunes en los filtros percoladores son: Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas y Alcaligenes. Para la nitrificación las bacterias existentes son: Nitrosomonas y Nitrobacter. Los hongos se encargan de la estabilización de los residuos bajo condiciones bajas de pH, sin embargo su crecimiento debe ser controlado, ya que podrían obstruir el paso del agua. Las especies que se encuentran comúnmente en el filtro percolador son: Fusazium, Mucor, Penicillium, Geotrichu y Sporatichem. Las algas se encuentran en la parte donde da la luz del sol directa, y brindan más oxígeno al sistema durante las horas en que hay sol. Las especies que se llegan a encontrar son: Phormidium, Chlorella y Ulothrix. Los protozoarios controlan el crecimiento bacteriano, predominando el grupo de los ciliados incluyendo: Vorticella, Opercularia y Epistylis. Los gusanos, insectos y lombrices ayudan a mantener la población bacteriana en alto crecimiento y rápida utilización de alimento.

2.3.

CARACTERÍSTICAS

2.3.1. Geometría El reactor o filtro consta de un recipiente cilíndrico o rectangular con diámetros variables, hasta de 60 m y con profundidades entre 0,9 y 12 m (RAS, 2000).

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2.3.2. Medios de soporte El medio filtrante puede ser piedra triturada o cantos rodados con diámetros entre 5 y 10 cm o un medio plástico manufacturado especialmente para tal fin (Valencia). Este último se ha hecho muy popular en las últimas décadas, ya que brindan una mayor superficie de contacto para el crecimiento biológico y tienen un menor peso específico, permitiendo la construcción de filtros de mayor profundidad (Valencia). 2.3.3. Profundidad del filtro El medio filtrante puede ser piedra triturada o cantos rodados con diámetros entre 5 y 10 cm o un medio plástico manufacturado especialmente para tal fin (Valencia). Este último se ha hecho muy popular en las últimas décadas, ya que brindan una mayor superficie de contacto para el crecimiento biológico y tienen un menor peso específico, permitiendo la construcción de filtros de mayor profundidad (Valencia). 2.3.4. Configuración El medio filtrante, en el caso de la piedra debe tener una profundidad mínima de 0.9 m. y máxima de 2.4 m sobre los desagües, excepto cuando los estudios justifiquen una construcción especial. En el caso del medio plástico, la profundidad debe determinarse por medio de estudios pilotos o experiencias previas debidamente sustentadas, pero en promedio se encuentra entre los 3.0 y 12.0 m (RAS, 2000). Debe proveerse un espacio libre mínimo de 15 cm entre los brazos distribuidores y el medio filtrante (RAS, 2000). 2.3.5. Recirculación Cuando se efectúa la recirculación, es importante determinar si es antes o después del clarificador primario, pues esto afecta significativamente en el diseño. Igual consideración debe tenerse con los sedimentadores secundarios. El rango de tasas de recirculación se encuentra entre 0 y 4.0 siendo las tasas más usuales entre 0.5 y 3.0.

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Figura 6. Diagramas de flujo típicos para filtros percoladores de una y dos etapas (Valencia). 2.3.6. Ventilación Es de gran importancia, para mantener el filtro en condiciones aeróbicas. El sistema de desagüe, el canal efluente y tubería de efluentes deben ser diseñados para permitir el libre paso del aire.

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La ventilación se puede realizar por medios naturales, mediante las gradientes de temperatura presentes entre el lecho y el medio ambiente o por medios forzados, mediante equipos parecidos a extractores de aire. El flujo de aire debe ser 0.3 m3/m2 de área filtrante a 0.03 m3/m2 como mínimo (RAS, 2000). 2.3.7. Distribución del caudal Las aguas residuales pueden ser descargadas a los filtros mediante sifones, bombas o descarga por gravedad desde las unidades de pre-tratamiento cuando se hayan logrado características adecuadas de flujo. Dentro de los tipos de distribuidores de flujo se encuentran los de accionamiento por motor eléctrico en donde la velocidad de giro de sistema debe ser del orden de 10 rpm cuando el distribuidor tiene dos brazos perpendiculares y los de propulsión hidráulica (RAS, 2000). Para lograr una correcta distribución uniforme de flujo de agua residual sobre el área superficial del filtro percolador, es necesario contar con distribuidores rotativos de caudal que giren alrededor de un eje o en su defecto con otro sistema que logre el mismo efecto. Para preservar la uniformidad en la distribución del caudal, el volumen aplicado por metro cuadrado de superficie de filtro no debe exceder en ±10% del volumen de diseño calculado (Corbitt R., 2004). 2.3.8. Sistemas de desagües inferiores Recibe el agua residual tratada y la conduce a un canal de evacuación principal. Este canal se compone de bloques, con ranuras en la parte superior, para admitir el agua efluente, y canales interiores que la llevan a un canal de descarga central. 

Arreglo. EL sistema de desagües debe cubrir todo el piso del filtro. Las aberturas de entrada de los desagües deben tener un área combinada bruta no sumergida igual a por lo menos 15% del área superficial del filtro.



Pendiente. Los desagües deben tener una pendiente mínima del 1%. Los canales de efluente deben ser diseñados para producir una velocidad mínima de 60 cm/s, con base en el caudal medio más la recirculación.



Limpieza con agua. Deben hacerse provisiones para la limpieza de los desagües con agua. En filtros pequeños será aceptable el uso de un canal de carga periférica con ventilación vertical.

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2.3.9. Sedimentadores A pesar que, no son elementos que conformen el filtro percolador en sí, su consideración es necesaria por la alta generación de lodos llevada a cabo en el proceso de filtración biológica. Los sedimentadores son tanques en donde se proporcionan las condiciones hidráulicas indispensables para promover la separación de los aglomerados y el agua clarificada. Pueden ser circulares o rectangulares en donde se debe proporcionar un tiempo de retención entre una y dos horas, suficientes para la separación de los lodos por gravedad. En ambos casos se prevé una zona para acumulación de lodos.

2.4.

CARACTERÍSTICAS

Los filtros pueden clasificarse según su carga (RAS, 2000): 2.4.1. Filtros de baja carga Filtros lentos en los cuales el agua hace un sólo paso a través del filtro, con cargas volumétricas bajas, permitiendo además una nitrificación relativamente completa. Este tipo de filtro es seguro y simple de operar. Producen una composición del efluente bastante estable, pero crean problemas de olores y moscas.

2.4.2. Filtros de alta carga Emplean la recirculación para crear una carga hidráulica más homogénea, diluyendo por otra parte la DBO5 influente. El porcentaje de recirculación puede llegar a 400%. Este sistema de filtración tiene una eficiencia tan buena como la de los filtros de baja tasa, y evita en gran medida el problema de moscas y de olores. Valencia refiere que “originalmente los filtros percoladores eran diseñados basados en unas cargas hidráulicas y orgánicas que produjeran una remoción del 80 - 90%, de la DBO5 del afluente” lo que nos indica variaciones mínimas en cuanto a carga hidráulica y orgánica en el proceso. Esta situación cambio posteriormente (mayor variación en las cargas hidráulicas y orgánicas), por lo que surgió la necesidad de realizar una mejor clasificación, resultando de esta los filtros de tasa baja o convencionales, filtros de tasa intermedia, filtros de tasa alta y filtros de tasa súper alta (Valencia): 2.4.3. Filtros percoladores convencionales o de tasa baja Este tipo de unidades se diseña para recibir cargas orgánicas que varían entre 0.08 y 0.4 kg de DBO5/(día*m3) de volumen del filtro. La carga hidráulica puede fluctuar entre 1.0 y 3.7 m3/(día*m2) de superficie del filtro. En general este tipo

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de filtro no utiliza recirculación para mantener una carga hidráulica constante. La dosificación de las aguas residuales se hace de manera un poco intermitente y puede presentar problemas de operación durante las horas de la noche cuando el caudal es muy bajo. Si el periodo entre las dosificaciones es muy largo se pueden presentar problemas de secamiento de la bio-película, con lo cual se deteriora bastante la eficiencia del filtro, por lo que se recomienda que estos periodos secos no sean mayores de 1 - 2 horas. El rango de eficiencia en la remoción de DBO5 de este tipo de filtro se encuentra entre el 80 y 90%. Este tipo de filtros se construye normalmente con piedras de canto rodado de 5 y 10 cm de diámetro con profundidades que oscilan entre 1.8 y 2.4 metros. En la mayoría de las unidades que cumplen tales características sólo la porción superior del lecho (los primeros 0.8 - 1.5 m) tiene un recubrimiento biológico considerable. Por lo que la parte inferior del filtro puede estar poblado por organismos autótrofos nitrificadores que convierten el amoniaco a nitratos, lográndose así un buen grado de nitrificación en el sistema. 2.4.4. Filtros de tasa intermedia Las cargas hidráulicas y orgánicas que se aplican a los filtros convencionales pueden aumentarse un poco experimentando una reducción significativa de la eficiencia en el proceso de remoción de materia orgánica, encontrándose esta entre el 50 y 70%. En este tipo de unidades la nitrificación se presentar de manera parcial, y en ocasiones se suele inundar el lecho por el excesivo crecimiento biológico el cual obstruye el flujo de agua residual. Esta situación puede remediarse utilizando un medio filtrante de mayor diámetro. Las profundidades del reactor oscilan entre los 1.8 y 2.4 metros. Las cargas orgánicas que se aplican al filtro pueden variar entre 0.24 y 0.48 kg de DBO5/(día*m3), y las cargas hidráulicas entre 3.7 y 9.4 m3/(día*m2), considerando la recirculación, la cual se usa frecuentemente en este tipo de filtros, pero cuya tasa máxima es de 1. 2.4.5. Filtros de tasa alta En este tipo de filtros se incrementan considerablemente las cargas orgánica e hidráulica que se aplican al lecho, con lo cual su eficiencia en la remoción de materia orgánica es más baja comparada a los filtros de tasa baja, encontrándose esta entre el 65 y 85%. Se llega a presentar poca nitrificación en el proceso. Se las suele utilizar como unidades de primera etapa antes de otros procesos biológicos o antes de filtros percoladores de segunda etapa. Las profundidades del lecho son por lo general menores (0.9 – 1.8 m), y siempre se utiliza la

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recirculación para garantizar una carga hidráulica constante, cuya tasa está entre 1 y 2. Las cargas orgánicas varían entre 0.32 y 1.0 kg DBO5/(día*m3) de lecho y las cargas hidráulicas entre 9.4 y 37.0 m3/(día*m2). 2.4.6. Filtros de tasa súper alta Con la aparición en el mercado de material filtrante plástico con una alta superficie de contacto, se comenzó a investigar la posibilidad de incrementar considerablemente las cargas hidráulica y orgánica que se le podían imponer a los filtros biológicos. Además las características físicas del medio filtrante permitían variar las condiciones estructurales de diseño, haciendo posible aumentar la profundidad de los lechos. Como resultado, se tienen en operación unidades a las cuales se les puede aplicar unas cargas orgánicas que varían entre 0.8 y 6.0 kg de DBO5/(día*m3), con cargas hidráulicas entre 14.0 y 84.0 m3/(día*m2). A pesar de presentar mayores cargas orgánicas e hidráulicas, la eficiencia del proceso es equivalente al de los filtros de tasa alta, encontrándose esta entre el 65 y 80%. Además, se llega a presentar poca nitrificación en estas unidades. Este tipo de filtro percolador se puede utilizar para el tratamiento de aguas residuales con altos valores de DBO5 y como unidades de tratamiento preliminar antes de otros procesos biológicos. Pueden diseñarse para profundidades entre 3.0 y 12.0 metros. La tasa de recirculación de este tipo de filtros no varía respecto a los de tasa alta manteniéndose en un rango de 1 a 2. Podemos resumir las características de diseño de los diferentes tipos de filtros percoladores vistos en la Tabla 2, además, se proporcionan las características de los filtros de tipo rugoso y de dos etapas. Tabla 2. Características de diseño para los diferentes tipos de filtros percoladores (Lin, Lee C, y S Dar, 2000)

Medio filtrante Carga Hidráulica m3/(m2*d) Carga Orgánica kg DBO5/(m3*d) Profundidad, m Tasa de

Tasa baja

Tasa Intermedia

Tasa alta

Tasa súper alta

Rugoso

Dos etapas

Roca, escoria

Roca, escoria

Roca

Plástico

Plástico, madera toja

Plástico

1.0 - 3.7

3.7 - 9.4

9.4 - 37.0

14.0 - 84.0

47.0- 187.0

9.4 - 37.0

0.08 - 0.4

0.24 - 0.48

0.32 – 1.0

0.8 – 6.0

1.6 - 8.0

1.0 – 2.0

1.8 - 2.4

1.8 - 2.4

0.9 - 1.8

3.0 – 12.0

4.6 - 12.0

1.8 - 2.4

0

0-1

1-2

1-2

1-4

0.5 - 2

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Tasa baja

Tasa Intermedia

Tasa alta

Tasa súper alta

Rugoso

Dos etapas

Eficiencia de remoción de DBO5, %

80 - 90

50 - 70

65 - 85

65 - 80

40 - 65

85 - 95

Efluente

Bien nitrificado

Parcialmente nitrificado

Poca nitrificación

Poca nitrificación

No nitrificación

Bien nitrificado

Desprendimiento

Intermitente

Intermitente

Continuo

Continuo

Continuo

Continuo

recirculación

2.5.

CRITERIOS DE DISEÑO

Los criterios de diseño según el tipo de operación y medio de contacto de los filtros percoladores, se expone en laTabla 3: Tabla 3. Criterios de diseño para filtros percoladores, según tipo de operación y medio de contacto. ELEMENTO

CARGA BAJA

CARGA ALTA

CARGA ALTA

Medio filtrante

Piedra

Piedra

Plástico

Tamaño (cm)

2,5 a 13

2,5 a 13

Varía

Superficie específica (m2 / m3)

60 a 70

60 a 70

80 a 200

Constante “n” del material

1,5 a 3,5

1,5 a 3,5

0,4 a 0,6 (según fabricante)

Constante de tratabilidad “K”

Agua residual doméstica sedimentada = 2,21 (m*d)-0,5 Agua residual industrial = 0,25 a 2,51 (m*d)-0,5

Espacio vacío (%)

40 a 60

40 a 60

94 a 97

Peso específico (kg/m3)

800 a 1450

800 a 1450

30 a 100

Carga hidráulica (m3/m2*h)

0,05 a 0,15

0,4 a 1,6

0,4 a 3,0

Carga orgánica (kg DBO5/m3*d)

0,1 a 0,4

0,5 a 0,6

0,3 a 1,8

Carga orgánica para nitrificación (kg DBO5/m3*d)

0,1 a 0,16

0,1 a 0,25

0,16 – 0,4

Profundidad (m)

2,0 a 2,5

2,0 a 2,5

3 a 10

Relación de recirculación

0

0,5 a 2,0

0,5 a 4,0

Arrastre de sólidos

Intermitente

Continuo

Continuo

Eficiencia de remoción de DBO5 (%)

80 a 85

50 a 70

50 a 85

Moscas en el filtro

Muchas

Pocas

Muy pocas

(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).

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Fecha: 20 de Marzo de 2014 Página 18

Para explicar el proceso de dimensionamiento, a continuación se elaborará un ejemplo de diseño.

2.6.

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO

Dimensionar un filtro percolador de tasa alta, con medio plástico (n = 0,5) para un caudal de aguas residuales domésticas sedimentadas (Q) de 700 m3/d, una DBO de entrada de 0,3 kg/m3(So) equivalente a 300 mg/L de DBO5. La carga orgánica de trabajo se ha estimado en 1,2 kg DBO5/m3d. La profundidad del tanque es de 4 m y se opera con una relación de recirculación de 0,5. Solución: Se calcula la carga contaminante en términos de DBO, multiplicando la concentración por el caudal, así:

El volumen requerido por el medio de soporte, a partir de la carga orgánica de trabajo, la cual se ha estimado en 1,2 kg DBO5/m3d, se determina así:

Con este volumen y altura o profundidad del filtro percolador “h”, se calcula su área superficial:

Se verifica la carga hidráulica “q”, la cual debe estar entre 0,4 y 3,0 m/h

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La DBO5 del efluente se establece, con el siguiente modelo, sin contemplar la recirculación: ⁄

Donde, S: DBO del efluente (mg/L) So: DBO del afluente (mg/L) K: Constante de tratabilidad [(m.d)-0,5] h: Profundidad o altura del filtro percolador (m) q: Carga hidráulica sin incluir recirculación (m/d) n: Constante del material ⁄

⁄

La DBO del afluente, incluyendo la recirculación “So”, puede ser estimada así:

Considerando ahora la relación de recirculación de 0,5, la concentración de DBO del efluente considerando la recirculación “S”, será: ⁄

Reemplazando: ⁄

Calculando para este ejemplo:

⁄

Con este valor, podemos estimar la eficiencia del sistema, así:

(

)

(

)

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3. TRABAJOS CITADOS 

Corbitt R. (2004). Standard Handbook of Environmental Engineering (Segunda edición ed.). Estados Unidos: Editorial McGraw-Hill.



Lin, Lee C, y S Dar. (2000). Handbook of Environmental Engineering Calculations (Segunda edición ed.). Estados Unidos: Editorial McGraw-Hill.



RAS. (2000). Reglamento Técnico del Sector RAS. Colombia: Ministerio de Desarrollo Económico.



Valencia, G. C. (s.f.). Filtros Biológicos. Cali, Colombia: Universidad del Valle.

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4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Eckenfelder, W.; Patoczka, J. y G. Pulliam, (1988) Anaerobic Versus Aerobic Treatment in the USA. Estados Unidos.



Ministerio del Medio Ambiente, (2002) Formulación de Planes de Pretratamiento de Efluentes Industriales. Colombia, Ministerio del Medio Ambiente.



Reyes, S., (2005) Efecto de las Cargas Hidráulica y Orgánica sobre la Eficiencia de Remoción de un Empaque Estructurado en un Filtro Percolador. Tesis de licenciatura. México, Universidad de las Américas Puebla.