PDF (IV: Filtración)

TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
IV ---------EH,IBA~Iº~
l.
DEFINIeION
Hacer pasar el agua por un lecho poroso para separar las partículas y microorganismos objetables que no han quedado retenidos en el proceso de sedimentad ón.
•
2.
MECANISMOS RESPONSABLES DE LA FILTRACION
Cuando el agua sale de los sedimentadores puede contener aún partículas suspendidas que van desde tamaños relativamente grandes (1 mm) hasta partículas
de tamaño coloidal, además de bacterias y virus.
El proceso que se utiliza para separar del agua dichas partículas es la filtración, que ocurre en dos etapas distintas pero complementarias, a saber:
11 _ Transporte de partículas dentro de los poros, mecanismo físico.
Adherencia de ellas a los granos del medio filtrante, mecanismo químico.
2.1
Transporte
los diferentes mecanismos del transporte, que están esquematizados en la Figura de la página siguiente, se describen a continuación.
2.1.1 Cernido: Cuando las partículas suspendidas son de mayor tamaño que los poros
,
del lecho filtrante, quedan atrapados en los intersticios.
2.1.Z
Intercepción: Parte de la remoción del f10c se debe a que se establece un co~
tacto entre las partículas f10culentas y los granos del medio filtrante. Es
decir, los f10c se pegan a la superficie de los granos.
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TRATAMIENTO DE AGUAS
2.1.3
Difusión: Debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas (f10c o bacterias) a difundirse desde zonas de alta conce~
trac;ón a zonas de baja concentración. Hay que considerar que la mayoría de
las partículas que llegan al filtro son menores de 10~
2.1.4
Impacto Inercial: Cuando el agua pasa alrededor de los granos del medio fil
trante, la inercia de las partículas que ella contiene hace que tiendan a
seguir trayectorias rectilíneas, chocando con los granos y quedando adheridas a ell os.
2.1.5 Sedimentación: Los granos del medio filtrante tienen un área relativamente
grande donde los sólidos suspendidos pueden quedar depositados por sedimen
tación.
CON\I E.N U() "-l
2.2
Adherencia
El material suspendido en el agua también puede quedar retenido en el medio
filtrante por una serie de factores químicos y electroquímicos. Los más import~ntes son los siguientes:
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TRATAMIENTO DE AGUAS
2.2.1
Fuerzas de Van der Waa1s: Entre las partículas del medio filtrante y las pa~
tícu1as suspendidas se generan un~fuerzas siempre atractivas debido al movimiento de los electrones en sus órbitas, que hace que se unan entre sí.
2.2.2
Fuerzas Electrostáticas: Si los granos del medio filtrante tienen carga contraria a los sólidos suspendidos, se genera entre ellos una fuerza de atra~
ción. Si los granos del medio filtrante son negativos y los sólidos son neutros, en ese caso la barrera de energía ha desaparecido y todo contacto puede producir retención .
2.2.3
Puente Químico: Las cadenas de los pélímeros, que se forman en la coagulación
-floculación, dejan libres sus segmentos e~tendidos,los cuales se adhieren a
los granos.
3.
TIPOS DE FllTRACION
•
la fi~mción puede efectuarse en muchas formas distintas: con baja carga superficial (filtros lentos) o con alta carga superficial (filtros rápidos),en
diferentes medios porosos (arena, antracita, granate, etc) empleando solo un
medio (lecho simple) o varios medios (lecho mixto), con flujo ascendente o
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.
En las plantas de tratamiento de agua potable, tradicionalmente han sido uti
lizados filtros de arena o de arena y antracita. En la actualidad son ampli!
mente utilizados los filtros rápidos de gravedad, de lecho doble de arena
y antracita y de flujo descendente, los cuales vamos a considerar .
•
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TRATAMIENTO DE AGUAS
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TIPOS DE FILTROS
SEGUN LA VELOCIDAD SEGUN EL MEDIO
DE FIL TRACION
FIL TRANTE USADO
LENTOS
2-10 m 3/ m 2X d
SEGUN EL SENTIDO
DEL FLUJO
ARENA
LECHO SIMPLE:
RAPIDOS
120-360 m 3/ m 2xd
1- Arena
2- Antracita
,
RAPIDOS
240-480 m 3/ m 'x d
LECHO MIXTO:
a}lecho doble
-Arena
-Antracita
b)Lecho Triple
-Arena
-Antracita
-Granate
Ascendentes
Descendentes
Por Gravedad
Ascendentes
Descenoentes
Por Gravedad
Por Presión
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•
Ascendentes
Descendentes
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4.
DESCRIPCION DE UN FILTRO
4.1
Esquema de un Filtro Rápido de Gravedad '
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SEGUN LA CARGA
SOBRE EL LECHO
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Por Gravedad
Por Presión
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Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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4.2
•[
Funcionamiento de un Filtro
Supongamos el caso de una sola unidad de filtración. El agua sedimentada es
conducida y repartida al filtro mediante un canal con orificios. Como el fil
tro inicialmente está limpio, el agua adquiere en la caja del filtro un nivel mínimo suficiente para vencer las pérdidas por fricción que se generan
con el paso del agua a través del lecho filtrante, la grava de soporte y el
falso fondo. Con el transcurso del tiempo, el lecho filtrante se va obstruyendo paulatinamente, generando cada vez más pérdida de carga hasta que el
agua alcanza su nivel máximo dentro del filtro. Antes de que esto suceda, se
procede al lavado del filtro. Para ello se cierran los orificios de entrada
140
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TRATAMIENTO DE AGUAS
la válvula
de la tubería de agua filtrada, se abre la válvula dea tuberfa
.
de evacuación de agua de lavado y se inyecta agua en sentido contrario (asce~
dente) a una cierta velocidad con 10 cual el lecho filtrante se expande y el
material retenido es arrastrado hasta las canaletas de recolección de agua de
lavado. Realizada la limpieza, el filtro queda listo para otra jornada de fil
tración.
J
5.
MODELOS MATEMATICOS DE LA FILTRACION
¡
No se ha podido encontrar un modelo matemático que descrlba con precisión el
comportamiento de un filtro, por 10 tanto no existe formulación exacta que
describa el fenómeno. Los parámetros del proceso que gobiernan el diseño, hay
que determinarlos experimentalmente para cada tipo de filtración particular,
10 cual se realiza en un filtro piloto. Otra alternativa es utilizar los parámetros promedios que han demostrado en la práctica buenos resultados.
6.
FILTRO PILOTO
Un filtro piloto es una estructura, generalmente de acrílico transparente,
donde se reproducen a escala real vertical las condiciones de filtración en
la forma como quedará trabajando la planta de tratamiento , con el objeto de
determinar acertadamente los parámetros de diseño.
El esquema de un filtro piloto aparece en la página siguiente. Se muestran
las dos situaciones de funcionamiento, esto es, en filtración o en lavado
del filtro.
6.1
Funcionamiento durante Filtración:
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TRATAMIENTO DE AGUAS
1ngo. Jorge Arturo Pérez P.
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6.2
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Funcionamiento durante Lavado:
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7.
COMPONlNTES DE UN FILTRO -
7.1
Lecho Filtrante
DE~CRIPCION
El lecho filtrante está constituído, para el caso de los filtros de las pla~
tas de tratamiento de aguas, por un material granular como arena y/o antracita.
Las características de un material granular se definen por dos parámetros fu~
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damentales: el tamaño efectivo (T.E.) y el coeficiente de uniformidad (e.u.).
La determinación de ambos se realiza por medio de un análisis granulométrico.
La escogencia del medio filtrante está relacionada con la carga superficial.
Para el caso de lechos de arena:
Espesor del lecho
Tamaño efectivo
Coeficiente de uniformidad
Tamaño máximo
Tamaño mínimo
Mallas
0.55 m
0.5 a 0.6 ll1I1
< 1.6
1.2 nm
0.42 nm
Serie Tyler.
Para el caso de lecho mixto de arena y antracita:
MATERIALES
••
ESPESOR DEL LECHO
TAMAÑO EFECTI VO
Rango
Recomen- Rango Valor R!comen
Valor
(m )
Medio daciónMedio
dación (m )
(m )
(m )
COEFICIENTE
DE
UNI FORMI DAD
ANTRACITA
0.45 -O. 70
0.55
0.55
0.7-1.3
1.0
0.9
<1.8
ARENA
0.15-0.30
0.25
0.25
0.3-0 ..5
0.4
0.4
<1.6
La arena utilizada en los filtros rápidos está compuesta de material silíceo
de dureza 7 en la escala de Moh. Debe ser limpia, sin barro ni materia orgánica y menos del 1% podrá ser material laminar o micáceo. Su peso específico
es aproximadamente 2.65, en promedio.
La antracita debe ser durable para resistir la abrasión produ cida por el lavado sin desintegrarse. Debe tener una dureza mayor o igual a 3.0 en la esca
la de MOh. Su peso específico es aproximadamente 1.50, en promedio.
El lecho filtrante funciona de la siguente manera: inicialmente el lecho es.
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•
tá limpio y el agua sedimentada es obligada a pasar por el filtro por acción
de la gravedad. Por la combinación de los mecanismos que gobiernan la fl1tr~
ción, el material susppndido es retenido en el lecho filtrante hasta queTIe•
ga un momento en que éste se aco1mata o se obstruyen demasiado los poros
por donde circula el agua, aumentando la pérdida de carga hasta valores que
hacen necesario lavarlo. Para esto, 10 que se hace es invertir el sentido del
flujo, esto es, que el agua pase de abajo hacia arriba logrando con ésto que
los granos del lecho se fluidifiquen , es decir, queden suspendidos por la
corriente ascendente a una distancia tal unos de otros que se froten entre
si) para de esta manera, eliminar el material por ellos retenido .
•
Después del primer lavado que se hace al filtro, al asentarse nuevamente los
granos, el lecho se estratifica quedando las partículas pequeñas arriba y las
grandes abajo y como consecuencia, más espacios abajo que arriba. Por la fo~
ma como el agua pasa por el filtro, flujo descendente, el lecho filtrante no
se utiliza optimamente debido a que las partículas suspendidas quedan reteni
das en la parte superior, precisamente donde menor es el espacio de vacíos y,
por consiguiente, menor capacidad de almacenamiento de sólidos. Es decir, los
sólidos suspendidos acolmatan el filtro en las caras superiores y no se logra
utilizar la parte más eficiente, la más porosa, que es la parte inferior.
Para resolver este problema, se emplean los lechos filtrantes múltiples: La
antracita, que se coloca en la parte superior, encima de la arena, debido a
su mayor tamaño efectivo y a su porosidad, permite que el f10c penetre más
profundamente haciendo que el filtro no se aco1mate solamente en las capas
superiores. El material suspendido que logre atravesar la antracita, es retenido en la arena. Por esta razón, los nuevos proyectos consideran la utilización de lechos ~a1ti les .
...
1.2
Grava de Soporte
La grava de soporte tiene dos funciones:
- Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje
durante la filtración.
144
TRATAmENTO DE AGUAS
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Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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- Hacer que se distribuya uniformemente el agua de lavado, evitando la forma
ción de chorros.
Debe ser colocada manualmente durante la construcción del filtro.
Por lo general se coloca una capa de 0.40 m , as 1 :
6
Posición
En el fondo
Segunda capa
Tercera capa
Cuarta capa
Capa superficial
Espesor (cm)
Tamaño (pulg.)
12
2-1
1-1/2
1/2-1/4
1/4-1/8
1/8-1/12
7
7
7
7
7.3
Falso Fondo
7.3.1
Funciones: El falso fondo tiene dos funciones:
- Dejar una cámara en la parte inferior del filtro que recoge toda el agua
de filtrado uniformemente.
- Distribuir el agua de lavado con presión uniforme.
Si la cámara no es suficientemente grande, la distribución de presión sería
como se muestra en la figura de la página siguiente.
Vl
si
da
de
> V2 • Como a mayor velocidad menor presión (V 2 /2 g + Presión = cte),
se aumenta el tamaño de la cámara para que la velocidad se disminuya, to
la cabeza de velocidad tiende a ser pequeña, con lo cual la distribución
presión se uniformiza.
Como una recomendación de tipo general, la altura de la cámara inferior debe ser por lo menos 0.50 m .
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Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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7.3.2 Tipos de Falso Fondo: Existen varios tipos de falso fondo, entre los que se
pueden mencionar los siguientes:
a) Falso Fondo de Asbesto Cemento: Son fabricados en el país,Tienen las si guientes dimensiones:
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Para datos adicionales puede consultarse el manual de Eternit.
b) Falsos Fondos Prefabricados:
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IRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD rlACIONAL - FACULTAD DE mNAS
Ingo. Jorge Ar.turo Pérez P.
8.
JORNADA DE TRABAJO O CARRERA DE UN FILTRO
,
Es el periodo atil de filtraci6n entre lavados. Para el caso de filtros rápi
dos con lecho doble de arena y antracita, el tiempo entre limpiezas es de 12
a 48 horas. Para el caso de filtros rápidos de arena, de 24, 48 6 72 horas .
•
Para el caso de filtros lentos de arena, es de 20, 30 6 60 dias.
9.
•
PERDIDA DE CARGA DURANTE LA FILTRACION
/
,
I
/
Al pasar un caudal Q a través de un lecho granular de ' profundidad L, la fri~
ci6n del flujo a través de los poros produce una pérdida de carga. Al comenzar la filtraci6n, y como el filtro está limpio, la pérdida de carga se debe
anicamente al tamaño, forma y porosidad de los granos del lecho filtrante y a
la viscosidad y velocidad del agua. Si el agua no tuviera particu?as en sus\
durante
toda
la
carrera,
pero
pensión, esta pérdida de carga seria constante
como contiene sólidos, estos van a depositarse en los granos haciendo que los
canales por donde circula el agua se vayan estrechando, motivo por el cual la
velocidad del agua aumenta para conservar el mismo caudal, y con ello, hay . un
incremento en la pérdida de carga a medida que transcurre el tiempo.
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UNIVERSIDAD
NACIOr~AL
TRATAMIENTO DE AGUAS
- FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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La forma que adquiere la curva se debe a que el filtro se va acolmatando más
en las primeras capas y no uniformemente, es decir, el floc no alcanza a penetrar y distribuirse en todoel lecho filtrante.
Hay que considerar dos tipos de pérdida de carga:
La pérdida de carga inicial (ha) que se presenta cuando el lecho está com
pl~tamente limpio .
•
- La pérdida de carga por acolmatación (h 0 (t) ) que va aumentando con el
tiempo.
La pérdida de carga final (hf) será entonces:
hf = ha + h 0 (t)
9.1
Pérdida de Carga Final (hf)
La pérdida de carga final puede llegar a ser tan grande que haga que se presente una presión hidrostática negativa, que puede ocasionar el taponamiento
del filtro: cuando el agua está saturada de aire, cualquier disminución de la
presión sobre el líquido, de acuerdo con la ley de Henry, rompe el equilibrio
de la interfase. La ley de Henry establece que lila concentración de un gas en
un líquido depende de la presión parcial sobre la solución o sea que la ca~
tidad de gas que puede ser disuelto o expelido de un líquida depende de la
presión parcial que exista sobre él. Al disminuir la presión, el gas se esca
pa.
ll
,
El oxígeno disuelto que contiene el agua, al presentarse una presión negativa, es liberado y va a ocupar los poros del medio filtrante, disminuyendo aún
más el área por donde el agua puede circular, con el consiguiente aumento de
la pérdida de carga. El oxígeno puede llegar a obstruir el filtro. Lo que hay
que evitar es que se presente la presión hidrostática negativa, lo que se pu~
de lograr de dos naneras:
•
148 .
TRATAMIENTO DE AGUAS
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1 - Aumentando la altura de la lámina de agua sobre el filtro.
2 - No dejando que el filtro se acolmate hasta valores extremos, controlando,
por medio de medidores, la pérdida de carga que se va presentando;y lavando antes de un determinado valor de pérdida de carga.
Con respecto a la altura de la lámina de agua sobre el lecho, se ve que
to menor sea su valor, más fácilmente se obtienen presiones negativas y
yor posibilidad existe de que se presenten obstrucciones por aire. Para
tar este problema, los filtros tradicionalmente se construyen con capas
agua comprendidas entre 1.40 y 1.80 m por encima de la superficie del
filtrante.
•
9.2
cua~
maevide
lecho
•
Pérdida de Carga Inicial (ho)
La pérdida de carga iricial tiene la forma: h - KV, siendo V la velocidad de
fi ltraci ón.
Camp propuso la siguiente fórmula para determinar la pérdida de carga inic i al:
h
I=
KV
g
di donde:
L = espesor del 1echo fi ltrante
h - pérdida de carga inicial
k - coeficiente: 6 para régimen laminar
- factor de forma - -6
'1'
po - porosidad del lecho no expandido
-V = viscosidad cinemática
d l y d2 = diámetro mayor y menor del material retenido entre dos mallas.
149
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TRATAMIENTO DE AGUAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
La fórmula anterior es difícil de manejar y por eso se presentan las fórmulas
para la arena y la antracita resultantes para los medios granulares utilizados en América, y que son una transformación de la anterior, así:
Para arena:
Para antraci ta:
h
L
=
0.9 x la-3\(
donde:
v=
(m
3/ m 2
x d
)
Hay que considerar adicionalmente la pérdida de carga en la grava de soporte
y el falso fondo:
Para la grava de soporte:
donde:
v=
(m /min)
Para el falso fondo:
donde:
q - caudal por cada orificio (m 3/ S
150
)
.
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Ingo. Jorge Arturo Pérel P.
TRATAMlfNTO DE AGUAS
~------------------------------------------------------------------------~
C - 0.7 a 0.8
A - Area de cada orificio (m 2)
La pérdida de carga inicial se utiliza para determinar el nivel mínimo de
agua en el filtro, cuando la rata de filtración es constante.
10.
RATA DE FILTRACION O CARGA SUPERFICIAL
Las ratas de filtración pueden ser consultadas en el cuadro de la página 135.
Dentro de estos rangos, el valor de diseño puede ser escogido teniendo en
cuenta los siguientes aspectos:
La eficiencia remoc;onal de bacterias de los filtros operados a 300 m 3/
m2 X d
es la misma que para filtros operados a 120 m 3/ m 2 x d.
- La turbiedad residual del agua filtrada a 240-300 m 31m 2 x d
apreciablemente mayor que la obtenida.con 120 m 31m 2 x d.
no es
- A medida que se filtra a una rata mayor, la carrera de filtración se acor
ta proporcionalmente, pero la cantidad de agua producida entre lavado y
lavado se aumenta. En otras palabras, lo que debe considerarse es el volu
men total de agua que se puede obtener durante el período de servicio del
filtro. Se puede obtener el mismo volumen con baja rata y largas carreras
o con alta rata y cortas carreras.
La rata de filtración más alta posible produce la mínima área superficial
y con ello el mínimo costo inicial.
11.
NU~lERO
DE FILTROS
El número mínimo de unidades depende del tamaño que se quiera dar a cada una
y la rata de filtración con que se quiera trabajar, para un determinado caudal
de diseño. Lo más económico sería hacer una sola unidad,pues el• número de tabiques, válvulas, etc., sería mínimo. Sin embargo, por razones de operación,
hay que hacer por lo menos 3 unidades, excepcionalmente 2, cuando se usa lava
151
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lngo. Jorge Arturo Pérez P.
~HrlAS
TRATAMIENTO DE AGUAS
do convencional (agua proveniente de un tanque) y por 10 menos 4 cuando se lava un filtro con el flujo de los otros (sistema autolavante), de manera que
aún cuando una unidad estuviera fuara de servicio por repa~ación y dtra se estuviera lavando, aún quedarían una o dos trabajando.
Morri1 y Wal1ace en 1934 sugirieron la siguiente expresi6n para calcular el nú
mero de filtros:
n = 0.044
ro
donde:
I
n = número de unidades
Q - caudal de la planta (m 3/ d )
12.
FORMA Y DIMENSIONES DE LOS FILTROS
Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en
planta (ancho y largo) son establecidas teniendo en cuenta lo siguiente:
- Que la geometría de los filtros se acomode al esquema general de la planta,
trantando de aprovechar los muros de las otras unidades, con lo que se logra
máxima economía de la estructura.
- Tipo de lavado auxiliar: cuando se hace lavado superficial, los dispositivos
de lavado condicionan las dimensiones de los filtros.
-
El espaciamiento y las dimensiones de las canaletas de recolección del agua
de lavado.
- Tipo de falso fondo utilizado.
La profundidad es función de lo siguiente:
- Altura del falso fondo.
152
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TRATAI'UENTO DE AGUAS
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- Altura de la grava y el lecho filtrante.
- Altura de la lámina de agua sobre el lecho filtrante.
- Altura del borde libre.
13.
SISTH1AS DE OPERACION DE LOS FILTROS
Los filtros rápidos, cualquiera que sea su rata de flujo o medio filtrante
que se use, requieren de algún sistema de control para regular la hidráulica
del proceso. De lo contrario, al iniciar la operación con el filtro limpio dejando la válvula efluente abierta, el nivel de agua en el filtro no se restabl~
ce sino que, por el contrario, queda la superficie del lecho descubierta. A
medida que progresa la carrera de filtración, la pérdida de carga aumenta y el
nivel de agua en el filtro va subiendo en proporción hasta rebasarlo por completo si no se toman medidas a tiempo, lavando la unidad o cerrando el af1uen
te.
Los sistemas de control de los filtros puede sintetizarse así:
Control
RATA DE FIL TRA-
de
Contra 1 de
Flujo
Vénturi
Pi s tón Flotante
Ni ve 1
Sifón
Válvula Mariposa y
Flotador
CION CONSTANTE
Afluente igualmente distribuido: Canal con vertederos
Laterales .
•
RATA DE FILTRAClON DECLI NANTE
Con Vertedero de Control
Sin Vertedero de Control
153
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE r·lINAS
1ngo. Jorge Arturo Pérez P.
-
13.1
Rata de Filtración Constante
13.1.1 Control deRujo: Para controlar el efluente de un filtro se inserta en la t~
bería de salida un complejo sistema como el que se muestra en la figura. El
sistema es bastante costoso y de difícil operación y mantenimiento. Tiene la
ventaja de que se sabe el caudal que está produciendo cada filtro y por ser
constante ofrece simplicidad de la operación hidráulica de la planta.
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13.1.2 Control de Nivel: Las variaciones de la altura del agua, en una camara esp~
cial o en la caja del filtro, pueden usarse para regular el caudal. Basta
transmitir estas variaciones a un aparato hidráulico que disminuya o aumente el paso del flujo, según varíe el nivel del agua, para mantener un nivel
aproximadamente constante y con esto un caudal constante. Tiene1as mismas .
ventajas y desventajas que el sistema anterior.
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A continuación se muestra el sistema de válvula mariposa y flotador.
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TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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13.1.3 Afluente Igualmente Distribuido: Un sistema muy simple de controlar el flu
jo en los filtros es regularlo a la entrada colocando un orificio o vertedero que deje pasar un gasto constante.
En los filtros de este tipo~el nivel de agua va aumentando con el tiempo
desde A hasta B y el lavado se hace cuando llega a este límite, 10 que h~
ce innecesario el uso de medidores de pérdida de carga.El inconveniente e~
tá en que, por este motivo, el filtro resulta profundo pues hay que dejar
entre 1.40 a 2.00 m para la variación del nivel sobre las canaletas, 10
que implica el uso de capas de agua de 2.00 a 2.70 m sobre el lecho .
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13.2
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Rata de Filtración Declinante
La tendencia natural de todo medio filtrante granular es ir disminuyendo su permeabilidad a medida que se prolonga su tiempo de servicio y, por
lo tanto, ir mermando su capacidad filtrante. Por consiguiente, al intr~
ducir controladores de caudal en el efluente de un filtro se violenta este principio pues se le fuerza a trabajar, tanto al principio como al final de la carrera, con la misma carga superficial.
En cambio, si se permite que a medida que el lecho se vaya obstruyendo su
rata de flujo disminuya, se consigue por 10 general un mejor efluente.
Para que esto sea posible, la condición básica es la de que todos los
tras actuen conjuntamente como vasos comunicantes, de modo que el que
limpio trabaje con la máXi ma velocidad, mientras que el que esté sucio
haga con la mínima. En estas condiciones el flujo que entra y sale de
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TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD
Ingo. JOrge Arturo Pérez P.
batería de filtros es constante; pero cada unidad, en cada momento, está
produciendo un gasto distinto según el grado de limpieza en que se encue~
treo A medida que va progresando la carrera, la unidad que disminuye su
rata de filtración transfiere el caudal que deja de filtrar a las otras.
Esto requiere que el canal de alimentación y la válvula de entrada sean 10
su ficientemente amplios como para que el agua pueda en todo instante llegar
a cualquier filtro con un mínimo de pérdida de carga.
Por otra parte, la entrada del afluente a la caja del filtro debe estar
por debajo del nivel de aguas mfnimo para que la distribución proporcional
del flujo se pueda realizar.
En estas condiciones, la altura del agua sobre el lecho es la misma en todas las unidades y va subiendo lentamente a medida que la pérdida de carga
aumenta.
Los fi ltros de rata dec1 i mnte pueden operarse con o sin vertedero de control, como se verá a continuación.
13.2.1
Filtros con Rata Declinante y Vertedero de Control: La altura de la lámina
de agua puede variar desde A hasta B. Cuando se alcanza el nivel máximo pe~
misib1e (B), se lava el filtro que lleva el mayor número de horas de servicio, con b que el nivel en todos los filtros desciende hasta estabilizarse
en una posición más baja. A partir de ese momento el nivel vuelve a subir,
y así sucesivamente.
Deben tomarse precauciones para que al comienzo de la carrera, cuando recién se lava un filtro. no se "desboque" trabajando con una rata demasiado
alta que produzca un efluente de inferior calidad. Para evitar esto, se
puede colocar un orificio en el tubo de salida como se indica en la figura, calculándolo para que no permita pasar más del 50% en exceso sobre el
caudal promedio.
156 .
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
1ngo. Jorge Arturo Pérez P.
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13.2.2 Filtros de Rata Declinante sin Vertedero de Control: Este es un sistema
especialmente aconsejable para plantas de tratamiento en funcionamiento
cuyos reguladores de caudal estén descompuestos.
Se parece en todo al método anterior, siendo la única diferencia que al
iniciar la operación del filtro después de lavado, es necesario controlar
manualmente el nivel del agua en él, cerrando parcialmente la válvula de
salida hasta alcanzar un nivel 5 a 10 cm , por encima del borde superior
de las canaletas de lavado, y manteniéndola así durante toda la carrera.
14
LAVADO DE LOS FILTROS
14.1
Definición
Es la operación en que se suspende la filtración en una de las unidades y
se invierte en ella el sentido del flujo con una velocidad tal que se pr~
duzca una expansión del 1echo~suficiente para que los granos se froten entre sí y desprendan todo el material que ha quedado retenido en ellos durante la operación de filtrado.
Se debe ejecutar:
a) Cada vez que la pérdida de carga en cualquier unidad sea igual a la car
ga máxima (B) sobre el lecho.
b) Cuando la calidad del ef luente de cual quier unidad se desmejora.
Lo que se presente primero.
157
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
1n90. Jorge Arturo Pérez P.
14.2
TRATAMIENTO DE AGUAS
Hidráulica del Lavado
14.2.1 Expansión del Lecho Filtrante: Al inyectar agua por el fondo de un lecho
granular tres cosas pueden ocurrir:
a) Si la velocidad ascensional de lavado es menor que la velocidad de asentamiento de las partículas del medio filtrante, el lecho no se expa~
de y por 10 tanto no hay un lavado adecuado.
)
b) Si se sigue aumentando la velocidad de lavado hasta hacer que la velocidad ascensional sea mayor que la velocidad de asentamiento de los gr!
nos, el lecho se expande, aumenta su porosidad y el lavado es efectuado
completamente.
c) Si la velocidad de lavado sobrepasa un cierto valor crítico, los granos
del lecho son arrastrados por el agua, perdiéndose por las canaletas de
reco1ecci6n de agua de lavado. Además, la excesiva separac16n entre los
granos en nada beneficia su limpieza.
Lo deseable es inyectar agua con una cierta velocidad ascensional que haga
que el medio filtrante alcance una expansión óptima para que, de esta manera, se realice la limpieza con la menor cantidad de agua, que conduce a
la máxima economia de operaci6n, si se tiene en cuenta que el agua para
lavado de los filtros es agua previamente filtrada.
Según el tipo de medio filtrante empleado, este necesita para su lavado
una determinada expansión que debe ser mantenida durante cierto periodo de
tiempo, de forma que el material retenido durante el proceso de filtración
sea arrastrado por el agua en su camino ascendente y, de esta manera, logre la limpieza adecuada de los granos. para el comienzo de una nueva carrera de filtraci6n. La velocidad de lavado necesaria para producir dicha
expansión depende fundamentalmente de la granulometría, densidad y forma
de los granos del medio filtrante y de la temperatura del agua.
158
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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Existen varias fórmulas de cálculo que relacionan entre sí las anteriores
variables,pero los experimentos realizados en filtros pi10to ~ y los resul
tados obtenidos en las plantas en funcionamiento,indican que los resultados obtenidos por la aplicación de los métodos tradicionales de cálculo
difiermde los resultados obtenidos en la práctica. Si se quiere tener cer
teza del comportamiento de los filtros, deben realizarse estudios en filtros
pilotos, para cada situación particular; de lo contrario es necesario adot
tar parámetros de tipo general .
•
Para filtros rápidos de arena con tamaño efectivo entre 0.4 y 0.5 mm, o en
los filtros de lecho mixto de arena y antracita, basta una velocidad asce~
siona1 del agua de lavado de 0.5 a 0.6 m Imin., suficiente para una expansión del 10% al 30%. El lavado debe ser realizado durante 4 a 6 mino y co~
plementado con lavado superficial preferiblemente, que en caso de plantas
pequeñas puede ser realizado manualmente con manguera.
14.2.2 Pérdida de Carga en el La va do:
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Para la condición de equilibrio, cuando el lecho filtrante se encuentra
fluidificado, la pérdida de carga debe ser igual al peso de las partículas
en el agua, o sea:
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Peso aparente = (fs - J) gV = (fs-.f)g A Lo(1-Po)
159
•
(2)
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UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
lngo. Jorge Arturo Pérez P.
TRATAMIENTO bE AGUAS
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donde:
Lo = Altura del lecho sin expandir
Po = porosidad del lecho sin expandir
Ss = Densidad relativa de los granos en el agua.
Se puede concluir que la pérdida de carga del lecho filtrante es constante,
independiente de la expansi6n que se dé y, consecuentemente, independiente
de la velocidad de lavado, cuando el lecho está fluidificado.
Adicionalmente a la pérdida de carga en el lecho, hay que considerar la pé~
dida de carga en la grava de soporte, el falso fondo y las diferentes pérdi
das locales, las cuaes pueden ser computadas de manera idéntica a como fue
discutido en la pérdida de carga en fi1traci6n, para la velocidad ascensi~
na1 correspondiente.
14.3
Cantidad de Agua de Lavado
Establecida la velocidad ascensional del agua, es posible calcular el caudal
de agua necesario, así:
Q = Vx A
donde:
v=
velocidad ascensional ( m Imin )
A = Area (m 2)
Q = caudal (m 3/mi n)
160 .
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
TRATAMIENTO DE AGUAS
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El volumen total de agua necesaria para el lavado de un filtro será:
v= Qx t
donde:
t
=
tiempo del lavado (min)
El lavado superficial es independiente y exige una cantidad mucho menor de
agua.
14.4
Sistema de Lavado
El lavado de los filtros puede hacerse de cuatro maneras distintas:
a)
b)
c)
d)
Lavado con flujo ascendente solo.
Con flujo ascendente y lavado superficial.
Con flujo ascendente y aire.
Con flujo ascendente y lavado subsuperficial.
Los más utilizados en nuestro medio son los dos primeros, y solo se hará
referencia a ellos.
14.4.1 Flujo Ascendente solo:• El agua se inyecta por los drenes con una velocidad
tal que produzca la expansión deseada del lecho.
La expansión utilizada difiere según el lugar:
Práctica Americana: 10% al 50%
Práctica Europea: 16% al 18%
Práctica Brasi1era: 10% al 30%
En realidad debe condicionarse para cada tipo de lecho filtrante. Siempre
a mayor temperatura, mayor velocidad es necesaria para producir la misma
.
expanSl0n.
~
161
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
14.4.2 Flujo Ascendente y Lavado Superficial: El ovado ascensional se complementa,
cuando es necesario, con el lavado superficial) que consiste en lanzar agua
a presión sobre la saperficie del lecho. Se utiliza para remover el lodo
que se deposita en las primeras capas del lecho y que hace perder eficiencia a la filtración y al lavado ascendente. Se utiliza más que todo en fil
tros de arena.
El método consiste en sacar de funcionamiento el filtro y dejar que se v~
cfe hasta mas o menos unos 30 cm. sobre la superficie del lecho y a continuación inyectar sobre él agua a presión por unos cuantos minutos; luego se
efectúa el lavado ascensional como fué anteriormente descrito.
Las formas para aplicar el agua para el lavado superficial son las siguientes:
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a) - Sistema Rotatorio:
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QLavado: 30-80 1 Imin x m2
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UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
TRATAMIENTO DE AGUAS
QLavado: 80-160 l/min x m2
Presión: 15-30 m de c. de a.
Agujeros: máximo a 0.30 m centro a centro.
14.5
Métodos para Aplicar el Agua de Lavado
El agua de lavado puede provenir de:
a) Un tanque elevado
b) Un sistema de bombeo
c) Otros filtros trabajando en paralelo (sistema auto1avante)
14.5.1 Tanque Elevado: El tanque puede estar colocado:
1 - Sobre una colina.
2 - Sobre estructuras de acero o concreto.
3 - Sobre el edificio mismo de la planta.
Debe quedar 10 más próximo posible a los filtros para reducir la pérdida
de carga en el transporte del agua.
Capacidad del tanque:
La capacidad está condicionada por el número de filtros y debe ser suficie~
te para lavar una unidad por un período de 6 minutos. Se debe dar capacidad
adicional para el agua de lavado superficial.
El volumen puede calcularse así:
donde:
A = Area de un filtro.
t s = tiempo de lavado superficial.
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NAl.lUNAL - FACUL TAO
DE MINAS
TRATAMIENTO DE AGUAS
1n90. Jorge Arturo Pérez P.
qs= Rata de flujo del lavado superficial.
ta= Tiempo de lavado ascencional.
qa= Rata de flujo de lavado ascencional.
n = Número de unidades (filtros)
Altura del Tanque:
La cota del fondo del tanque con respecto a la canaleta de recolección de
agua de lavado, se calcula considerando las siguientes pérdidas cuando el
lecho está expandido:
-
Pérdida
Pérdida
Pérdida
Pérdida
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de
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de
de
carga
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carga
carga
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en
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1a arena.
la antracita.
la grava de soporte.
el fa 1so fondo.
tuberías y accesorios.
Llenado del Tanque:
Para llenar el tanque hay que instalar un sistema de bombeo Eon sistema de
arranque y parada automático. Su capacidad depende del número de filtros,
la frecuencia de lavado y el número de lavados diarios, de forma que mantenga el tanque elevado con capacidad suficiente para lavar en cualquier
momento. La potencia de las bombas depende de la altura a que se coloque
el tanque elevado.
14.5.2 Lavado Con Bomba: Si se lava por inyección directa con bombas, éstas suelen
ser de gran capacidad y baja presión y no debe especificarse menos de dos
unidades .
•
La carga hidráulica total de la bomba puede calcularse de la misma forma
en que se calcula la altura del tanque elevado. Las bombas toman el flujo
del tanque de distribución o de aguas claras.
14.5.3 Lavado con Flujo provenien~de otras unidades: Se basa en el hecho de que
si se deja la salida del efluente a un nivel mayor que la de la canaleta
de lavado y se interconectan los filtros, al abrir la válvula de drenaje
164
TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
In90. Jorge Arturo Pérez P.
el nivel en la caja de la unidad que se quiere lavar desciende con 10 que
se establece una carga hidráulica que invierte el sentido del flujo en el
lecho filtrante y efectúa el lavado.
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Cuando se llega a la máxima pérdida de carga permisible por filtración hf,
el nivel del agua sube hasta la cota N, y es necesario lavar un filtro, para 10 cual se abre la válvula o compuerta A, de modo que el nivel en él de~
ciende rápidamente. En estas condiciones se establece una carga negativa hL
y el flujo se invierte. Para que esto sea posible, el gasto de todas las uni
dades que no se están lavando debe ser por 10 menos igual al necesario para
lavar una. De 10 contrario el nivel en e1 canal B descenderfa y la presión
de lavado hL podría ser insuficiente. La pérdida total de carga para lavar
un filtro por este sistema es de solo 55 a 80 cm, lo que permite la constru~
ción de estructuras solo ligeramente más profundas que las convencionales.
15
SISTEMAS DE RECOLECCION DEL AGUA DE LAVADO
Para recoger el flujo ascendente durante el lavado debe diseñarse un siste
ma de recolección. Este sistema puede consistir de:
a) Canal principal con canaletas laterales.
b) Canal principal solo.
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TRATAMIENTO DE AGUAS
UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS
Ingo. Jorge Arturo Pérez P.
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Existen gran cantidad de fórmulas para el cálculo de las canaletas. Una de
ellas puede ser la siguiente:
Q = 1.3 b Ho/z (Sección rectangular)
donde:
- Q = Caudal (m 3/5 )
b = ancho de la canaleta (m )
H = altura máxima del agua (m )
Deben ser colocadas con un espaciamiento máximo de 2.10 m
y 1.05 m entre el borde y la pared del filtro.
entre bordes
La altura libre entre las canaletas y el lecho no expandido debe ser igual
a la expansión total más 0.15 m de holgura.
h = %expansión
x espesor del lecho
166
+
0.15 m