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En
general, se considera la filtración como el paso de un fluido a través de un
medio poroso que retiene la materia que se encuentra en suspensión. En las
principales instalaciones de filtración ,los filtros sueles ser abiertos,
mientras los filtros cerrados suelen utilizarse para instalaciones pequeñas
(menor de 40m3/h). En las instalaciones de filtración de las estaciones de tratamiento de agua, el medio poroso suele ser generalmente arena, arena + antracita o bien carbón activo en grano, y la materia en. suspensión está constituida por flóculos o microflóculos procedentes de la etapa anterior de decantación o bien formados expresamente cuando se sigue el proceso conocido como "microfloculación sobre filtro" o filtración directa". Los filtros de estas instalaciones, generalmente son abiertos, con velocidades de filtración entre 6 y 15 m/h, empleándose los filtros cerrados a presión en instalaciones pequeñas (menores de 50 m3 /h). El material filtrante suele ser arena. Se emplea también otros materiales como carbón activado en grano, pero en este caso se aprovecha la capacidad de adsorción del carbón activado para retener sustancias en impurezas orgánicas por el fenómeno de adsorción, y que se tratará en el tema de "Tratamiento de olores y sabores".
Un material que se ha desarrollado recientemente y que puede sustituir o trabajar conjuntamente con la arena es la arcilla expandida, o como también lo expresa un fabricante Filtralite, una especie de agregado de partículas de cerámica muy ligeras, como pequeñas piezas duras de esponjas con poros internos de varios tamaños, lo que hace a este material muy apto como medio filtrante en los procesos de tratamiento del agua. En contraste con la arena clásica y gracias a la estructura porosa este volumen de poros presenta una gran superficie interna, es un medio de filtración más abierto que esta, ya que añade a la capacidad convencional de retención de los granos de arena la capacidad de retener partículas en el interior de los poros, proporcionando así un mayor espacio para almacenar partículas. A su vez y como los poros son más pequeños que los espacios entre los granos de arena, estos granos de arcilla expandida pueden atrapar partículas más pequeñas que podrían llegar a escapar a través de los intersticios entre los granos de arena. Se muestran una imágen de este material fabricado por FILTRALITE El
espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0,7 y 1 m. y la talla efectiva
entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre 1,5 y 1,7. En el caso de
lechos bicapa, el espesor de arena es 1/3 del total y
sobre ella una capa de antracita de 2/3 del espesor total y talla
efectiva entre 1,2 y 2,5mm. Realmente,
el espesor y granulometría depende de la velocidad de filtración, del tamaño
y naturaleza de las partículas que van a ser retenidas y de la pérdida de
carga disponible. Los materiales filtrantes que presentan cierta friabilidad no deberían emplearse ya que los lechos filtrantes y en concreto la arena, se ven sometida a fricción durante la fase de lavado a contracorriente produciendose unos finos que originan diversos inconvenientes, tales como : - Modificación de la curva granulométrica. - Se colmatan los filtros en superficie, impidiendo o al menos dificultando la filtración en profundidad. -Pueden pasar al agua filtrada aumentando la turbidez. Las materias en suspensión retenidas por los medios filtrantes en la superficie de los granos lo son por diversas fuerzas (Ives): - Fuerzas eléctricas, ligadas a la desestabilización de los coloides al anularse las fuerzas de repulsión electrostática entre partículas. - Fuerzas de cohesión de London-Van Der Waals. - Fuerzas de adhesión pericinética, debidas al movimiento browniano. - Fuerzas de adhesión ortocinética, debidas al gradiente de velocidad. De todo ello se desprende la importancia del tipo de superficie de los materiales filtrantes en la eficacia de la retención de las materias en suspensión. Ives ha establecido un índice de filtrabilidad (F) (sin dimensiones) para comparar la eficacia de la filtración para diferentes materiales de la misma granulometría en función del estado de su superficie: Δ h C F = ―――― x ―――― V x t C0 donde Δ h: Perdida de carga, en m de columna de agua , en el material filtrante al cabo del tiempo t. V : Velocidad de filtración en m/h. t : Duración de la filtración en horas. C : Parámetro de calidad del agua filtrada. C0 : Parámetro de calidad del agua a filtrar. La relación C / C0 puede expresarse en diferentes unidades tales como turbiedad, materia orgánica, en aluminio, etc. La retención de partículas será por tanto mejor cuando el índice F sea más bajo. Por otra parte, a igual granulometría, el crecimiento de la perdida de carga (Δ h) es menor con los granos angulosos que con los granos redondeados, ya que en los primeros se acoplan con más dificultad los unos en los otros y dejan por tanto secciones de paso mayores. Otra consideración a tener en cuenta en el caso de los medios filtrantes, especialmente en la arena, es la perdida al ácido, ya que una perdida al ácido mayor del 2 % no debe aceptarse cuando el agua bruta contenga CO2 agresivo. GRANULOMETRIA DE UNA MUESTRA DE ARENA La granulometría se representa mediante una curva que representa los porcentajes en peso de los granos de arena que pasan a través de las mallas de una serie de tamices normalizados. Se pesa alrededor de 1 Kg. de arena seca y se va tamizando a través de tamices, ordenados de mayor a menor luz de malla, se pesa la arena retenida por cada tamiz y se anota como “peso retenido”. Con estos datos construimos una tabla donde anotamos en distinta columnas los pesos retenidos, los pesos acumulados, el % retenido y finalmente el % que pasa por el tamiz correspondiente (complementario a 100 de la columna anterior). Se traza la curva: En ordenadas la luz de malla y en abcisas el porcentaje que pasa por cada tamiz. Anotamos los valores correspondientes al tamaño de malla por el cual pasa el 10 % de la arena y el tamaño de malla por el que pasa el 60%. La talla efectiva es el paso o tamaño de malla que corresponde al 10 %. El coeficiente de uniformidad es la relación: talla 60 % / talla 10 %. Se considera que una buena arena para la filtración debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a 2 (más cerca de 1,5 que de 2). Ensayo de granulometría real: Nº de tamiz Luz malla Peso retenido Peso acumulado % Retenido % Que pasa (mm) ( gr ) ( gr ) 4 4,76 2 2 0,1 99 1 8 2,38 119 121 10,3 89,7 12 1,68 553 674 57,3 42,7 16 1,19 350 1.024 87,1 12,9 20 0,84 89 1.113 94,7 5,3 30 0,54 42 1.155 98,3 1,7 40 042 12 1.167 99,3 0,7 Residuo -- 8 1.175 100 0,0
Con estos datos pasamos a construir la curva granulométrica:
La
velocidad de filtración, para el caso de filtración rápida , suele ser del
orden de 5 a l5 m/h (m3/m2/h). Uno
de los parámetros más indicativos del comportamiento del filtro es la turbidez
del agua filtrada. Al comenzar el período de filtración, partiendo de un lecho
filtrante limpio, hay un período inicial de tiempo, relativamente corto,
conocido como "período de maduración" en el cual la turbidez del
agua filtrada va disminuyendo hasta alcanzar un punto a partir del cual la
turbidez se mantiene casi constante un período largo de tiempo, que dependerá
de la altura de capa del lecho. Continuando
la filtración, se llegará a un punto a partir del cual la turbidez inicia un
incremento, conociéndose este punto como el comienzo del "período de
perforación" del filtro. La
pérdida de carga, que en el caso de un filtro, en definitiva nos indica el
grado de dificultad que encuentra el agua a su paso a través de la arena, nos
sirve para hacer un seguimiento del estado de
atascamiento del lecho de arena con el transcurso de tiempo de filtración.
Al construir los filtros, se fija la pérdida de carga máxima a la que podrá
llegarse, y deberá ser tal que el tiempo que tarda en alcanzarse, sea igual o
ligeramente inferior al tiempo, al cabo del cual se alcanzará la perforación
del filtro, de esta forma, se aprovecha el atascamiento de la casi totalidad de
la altura del lecho de arena previsto. Para
conseguir una tasa o velocidad de filtración constante, se pueden utilizar
filtros que operan a nivel constante, con regulación aguas arriba y abajo
mediante flotadores, válvulas de mariposa o sifones, o bien, emplear filtros de
nivel variable, en los cuales, este nivel va aumentando a medida que aumenta la
pérdida de carga como consecuencia del atascamiento o colmatación del
lecho filtrante. Llegado el momento de la máxima pérdida de carga de alguno de los filtros que forman la instalación, se interrumpe la entrada de agua a filtrar y se procede al lavado a contracorriente, que consta de tres fases: 1) Esponjamiento del lecho con aire a baja presión (entre 30 y 60 segundos). 2) Lavado con aire yagua (entre 3 y 6 minutos) y 3) Aclarado con agua (entre 12 y 7 minutos). En la figura siguiente se representa el esquema de un filtro (de nivel constante) con indicación de los flujos de filtración y de lavado a contracorriente así como los niveles de filtración y de lavado.
En
el lavado a contracorriente, el lecho de arena se expande y el aire provoca que
los granos de arena al rozar uno contra otro se desprendan de las partículas
retenidas, que después serán arrastradas por el agua de lavado hacia los
vertederos o canales de recogida del agua de lavado. El proceso de lavado
finaliza cuando esta agua resultante del lavado no muestra apenas partículas en
suspensión.
FILTRO
DE NIVEL VARIABLE Y CAUDAL DE FILTRACION CONSTANTE
(El
lavado a contracorriente se realiza aprovechando la diferencia de nivel entre el
canal de agua filtrada y el canal de recogida de agua de
lavado)
LAVADO DE UN FILTRO (con canales de recogida de agua de lavado)
REGULACION
DE LA VELOCIDAD DE FILTRACION DE UN
FILTRO DE NIVEL CONSTANTE Y CAUDAL
DE FILTRACION CONSTANTE ( Mediante
válvula de regulación hidráulica
en la salida de agua filtrada) Respecto
a la evolución de la pérdida de carga y la turbiedad del agua filtrada y su
interrelación, consideremos, según se representa en las gráficas siguientes,
un filtro con una pérdida de carga máxima, por construcción de 2,5 m.
(columna de agua), tal pérdida de carga, para un espesor dado de arena, se
alcanza en el punto Pl, al cabo del tiempo t1. Por
otra parte, consideremos la evolución de la turbiedad del agua filtrada; al
llegar al tiempo t2, el filtro ha llegado a la perforación ,
correspondiéndole una turbiedad dada por el punto M2 , dado que t2
es menor que t1, el filtro continúa filtrando , ya que no se
ha alcanzado aún la perdida de carga máxima . Esto nos indicará que el filtro
está mal concebido y habrá que aumentar el espesor de arena , de forma que la
perdida de carga máxima se alcance antes , por ejemplo al cabo del tiempo t¢
1 , donde todavía no se ha llegado a la perforación del filtro y la
turbiedad , punto M1, continúa aún en valores aceptables. En el control de la eficacia de un filtro se suele acudir a la medida de la turbiedad, pero la sola medida de esta no es muy significativa de las diferencias de calidad del filtrado. Se ha llegado a proponer lo que se conoce como la determinación del factor de atascamiento, en definitiva es un porcentaje del estado de atascamiento del medio filtrante. El agua filtrada a estudiar se somete a una microfiltración bajo presión constante (2,1 bares) a través de una membrana de 0,45 µm., actuando asi: Si llamamos Ti al tiempo necesario para recoger 500 ml. de agua (este tiempo Ti debe ser superior a 15 segundos) y seguimos filtrando por la membrana durante 15 minutos y a continuación recogemos otros 500 ml. y sea Tf el tiempo invertido en recoger esta segunda muestra, el factor de atascamieto (FA) viene dado por la expresión : Ti FA % = 100 ( 1 ― ――― ) Si este porcentaje es superior al 80 % en 15 minutos, se realizará de nuevo el mismo ensayo con tiempos menores a los 15 minutos Tf En el caso de ensayos comparativos, los rendimientos de un filtro son mejor comprobables midiendo el factor de atascamiento, cuando que las medidas de perdida de carga y turbiedad por si solas son poco significativos. Funcionamiento de una instalación de filtración El agua clarificada procedente de los decantadores pasa a los filtros, donde las partículas (flóculos) que no han sido retenidas por los decantadores son retenidas al pasar por el medio filtrante. Los filtros suelen tener las siguientes caracteristicas: Un lecho filtrante único de arena de diámetro uniforme Tasa de filtración constante y nivel del agua a filtrar constante o variable (en función de la perdida de carga). El lavado se realiza mediante la inyección de agua y aire. El agua a filtrar que es repartida por igual a cada uno de los filtros que componen la instalación, así como la velocidad de filtración constante en cada filtro es obtenida por medio de dispositivos tales como flotadores, válvulas electroneumáticas, cajas de parcialización, y sifones.
Dispositivo de regulación, caja de parcialización y sifón
Válvula electroneumática y rack electrónico ubicados aguas abajo del filtro. Caja parcializadora-sifón concéntrico, ubicados dentro de la caja del filtro y aguas abajo del filtro. Dispositivo sifón-caja parcializadora: La caja de parcialización es un sistema de detección y mando que regula el caudal de aire introducido en la parte superior del sifón. Esta caja está formada por el flotador y el sistema detector, los que se ubican en la superficie de agua dentro de la caja del filtro. Sifón: Constituido por dos tubos concéntricos, donde el agua circula desde el tubo interior hacia el exterior, y se encuentra en la tubería de salida de agua filtrada. Descripción del proceso de regulación El conjunto sifón-caja parcializadora está unido por medio de un tubo de admisión de aire ubicado en la parte superior del sifón. Es por esta admisión de aire y cambio de presión que la acción del sifón es parcial o nula, con lo cual la variación de caudal es más o menos grande. Esta entrada de aire está comandada automáticamente por la caja de parcialización, en la cual el flotador detecta el nivel de agua que se debe mantener constante sobre el filtro y deja entrar una cantidad de aire en función de ese nivel. Si el nivel de agua sobre el filtro se eleva, bien sea porque el filtro está sucio o porque el caudal de la planta se incrementa, la caja de parcialización tiende a cerrarse, entra solo una pequeña cantidad de aire dentro del sifón y se produce un incremento en el caudal de agua filtrada. Si el nivel de agua disminuye, entonces el proceso es a la inversa. El sifón tiene un vacuómetro colocado en la parte superior que indica la pérdida de carga del filtro. Dispositivo de regulación válvula mariposa electroneumática y rack Electrónico El regulador válvula electroneumática y el rack de control están destinados a mantener el nivel de agua constante sobre la arena; sin regulación, este nivel es muy variable en función del grado de colmatación del filtro y de las modificaciones del caudal. La función de la regulación es crear, con la ayuda de una válvula de mariposa, una pérdida de carga auxiliar que es grande cuando el filtro está limpio, y por tanto el caudal de entrada es normal. Esta pérdida de carga disminuye a medida que el filtro se ensucia o el caudal aumenta bruscamente. La pérdida de carga global del sistema filtro-válvula es mantenida constante por la regulación.
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SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE FILTRACIÓN EN MÚLTIPLES ETAPAS.
Optimización de la filtración en una estación de tratamiento de agua potable convencional. Publicado en la revista TECNOAQUA Rocío Salinas Serrano. Laura Andrés Peñarrubia. Pura Almenar Llorens. V. Javier Macián Cervera Raquel Ribera Orts. Carlos Domínguez Domínguez .Filtración rápida :Página de Water Treatment Primer,en inglés, con un resumen del proceso físico de filtración del agua, caracteristicas de estos dos tipos de filtros. Se muestran diversos esquemas y figuras. Desde esta página se pueden enlazar con otras relacinadas con el tema. Filtración lenta. Publicación de ENOHSA Tema Filtración. Ingeniería Ambiental. 1.- OBJETIVOS. TIPOS. MECANISMOS DE SEPARACIÓN Filtros
lentos. Publicación en Power Point por vdocuments.site
Tema filtración. Francisco Javier Perez de la Cruz . Universidad Politecnica de Cartagena. Slow Sand Filtration.htm: Página sobre filtración lenta, de Water Treatment Primer, en ingles , similar, done se expresan caracteristicas de este tipo de filtros, incluyendo los mecanismos físicos y biológicos que se dan en estos filtros. Se muestran igualmente esquema y figuras. Filtración
y lavado a contracorriente : Documento de A.Amirtharajah, de la School of
Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta).
Presenta esquemas sobre filtración, ecuaciones y mecanismos de retención de
partículas y curvas diversas.
Carecteristicas físico-químicas de las zeolitas naturales como medio filtrante: Articulo de varios profesores cubanos, presentado en el XXVII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental y recogida en la página de CEPIS. En este trabajo se estudian y ensayan las zeolitas naturales cubanas, empleadas como medio filtrante alternativo a la arena, aprovechando a su vez las propiedades adsorbentes de las zeolitas. Cuba tiene una gran producción y reserva de zeolitas y en cambio dispone de muy poca de arena silícea que se emplea en la filtración del agua. Espectro de filtración : Publicación en pdf , en la que se muestra como maximizar las necesidades de una filtración conociendo los tipos y tamaños de partículas y así determinar el sistema de filtración más adecuado. Filter Backwash Recycling Rule Documents Regulación de la EPA sobre el reciclado de las aguas generadas en el lavado de los filtros en el proceso de tratamiento del agua potable. En mayo de 2001 la EPA publicó unas reglas que regulaban el proceso de reciclado del agua generada en el lavado de filtros, como método para reducir el riesgo de los consumidores por contaminantes microbilógicos. Se recogen una serie de enlaces de la EPA sobre este tema. Filtración lenta como proceso de desinfección: Ing. Lidia Cánepa de Vargas.CEPIS-OPS Purificación del agua mediante filtración por carbón activo. Publicación en el Diario El Comercio (Ecuador) Filtración directa . Diapositivas en PowerPoint por Luz Adriana Echavarría y Maria Isabel Marin (Universidad del Valle). Manual Técnico del Agua Degremont . Filtración del agua Estudio
independiente sobre el rendimiento y resultado de diferentes medios de
filtración. (Julio de 2014). I nforme resume sobre los resultados de un test sobre el rendimiento del AFM® de Dryden Aqua, arena de sílice y de otros medios de filtrado a base de cristal triturado más comunes en el mercado. El estudio lo elaboró el instituto IFTS (Institut de la Filtration et des Techniques Séparatives www.ifts-sls.com) en Francia. AFM® es un medio de filtrado de alta ingeniería fabricado con contenedores de cristal verde como materia prima.Abastecimiento de Agua. Tema 6 FILTRACIÓN. Francisco Javier Pérez de la Cruz . Universidad Politécnica de Cartagena. Grado en Ingeniería Civil How Thames Water reinvented its fast . Publicación en ingles de la empresa Thames Water donde describen la experiencia realizada en la búsqueda de necesidad de medio filtrante alternativo a la arena que venían utilizando en su estación de tratamiento.de agua potable.Experiencias con Filtralite en la ETAP de Llobregat Resultados pruebas con Filtralite en la ETAP de Llobregat | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
