OPTIMIZACIÓN DEL FILTRO GRUESO ASCENDENTE DEL FiME

OPTIMIZACIÓN DEL FILTRO GRUESO ASCENDENTE
DEL FiME MEDIANTE LA INSTALACIÓN DEL
VERTEDERO DE CONTROL Y ESTRATIFICACIÓN
DEL LECHO
Vinculado al proyecto: "Evaluación sistema filtración en múltiples etapas FiME en tanques
plásticos con pre-sedimentación y retro-lavado."
Diana Isabel Pico Ortiz, Jenifer Carolina Alba Chávez *
Ing. Haimar Ariel Vega Serrano **
*Estudiantes Investigadores Ingeniería Ambiental. [email protected], [email protected]
**Ingeniero civil. Centro de Investigación en Ingeniería Ambiental, Universidad Libre Seccional Socorro.
[email protected]
Recepción Artículo septiembre 10 de 2011. Aceptación Artículo noviembre 1 de 2011
INNOVANDO EN LA U ISSN 2216 - 1236
RESUMEN
El suministro del agua que llega a la Casona Majavita tiene un tratamiento inadecuado para su consumo
especialmente en el abastecimiento de agua para el funcionamiento de la unidad sanitaria de los laboratorios
de zootecnia y salones adjuntos, es el problema a solucionar en esta investigación.
Con el objetivo de establecer las mejoras requeridas
para incrementar la eficiencia de los filtros gruesos
ascendentes del FiME del sistema de tratamiento y
conducción de agua de la hacienda Majavita.
Se establecieron las modificaciones a realizar que
consistieron en estratificar el lecho filtrante para
mejorar la eficiencia del mismo, se instaló un
vertedero de control para facilitar el aforo. Como
resultados destacados los
filtros gruesos
ascendentes del FiME no cumplen con los parámetros
de remoción para los que fueron diseñados porque se
Imagen 1. FGA de concreto
Imagen 2. FGA de plástico
presentaban incrementos en promedio del 4% en
sólidos totales, 12% en color aparente y una remoción en turbiedad del 7% para el filtro grueso ascendente de
plástico, y remoción en turbiedad del 3% y en color del 34% y un incremento en sólidos totales del 1% para el
filtro grueso ascendente de concreto. Conclusión: De acuerdo con los parámetros para los que fue diseñado los
FGA son de turbiedad de 50 UNT, los filtros gruesos ascendentes no cumplen con dichos parámetros debido a
que se presentan incrementos y no remociones.
Palabras Clave
Vertederos, caudal, remoción, tasa de filtración, parámetros fisicoquímicos.
1 INTRODUCCIÓN
El agua que llega a la Casona Majavita proveniente de la quebrada Nacuma es de baja calidad e incumple con
los parámetros establecidos de agua apta para el consumo humano por lo que se estableció el sistema de
tratamiento natural FiME (filtros en múltiples etapas), el cual consta de una serie de filtros en polipropileno
como son el filtro grueso dinámico (FGD), con capacidad de 138 litros, un filtro grueso ascendente (FGA) con
33
Universidad Libre
Seccional Socorro
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
INNOVANDO EN LA U
capacidad de 250 litros, y un filtro lento de arena
(FLA) con capacidad de 500 litros y un sistema de
filtros en concreto conformado por un FGD de
capacidad de 84 litros, el FGA de capacidad de 160
litros y un FLA con capacidad de 700 litros.
2 OBJETIVOS
2.1 GENERAL
Establecer las mejoras requeridas para incrementar
la eficiencia de los filtros gruesos ascendentes del
FiME
2.2 ESPECÍFICOS
*Establecer las características actuales de operación
del filtro grueso ascendente del FiME.
*Determinar las modificaciones requeridas para
aumentar la eficiencia del filtro grueso ascendente.
Imagen 3. FGA de plástico con algunas modificaciones
Estos filtros son para tratar el agua que llega a la
unidad sanitaria de la parte alta de la Casona
Majavita y al laboratorio de Zootecnia de la
Universidad Libre Seccional Socorro. Se hacen las
modificaciones pertinentes para la optimización del
FGA y sugieren algunos cambios del CINARA para que
el sistema quede funcionando con las condiciones de
requeridas y las características optimas del CEPIS.
*Determinar las características de operación de los
filtros gruesos ascendentes del FiME luego de
realizada las modificaciones.
3 METODOLOGÍA
3.1 Tipo de investigación
El tipo de investigación es descriptiva porque se
muestra el funcionamiento del FiME antes y después
de las modificaciones hechas al sistema, además de
evaluar los parámetros en cada una de las unidades
según los objetivos a cumplir.
3.2 Variables
Las variables que intervienen en el proceso se
encuentran descritas en la tabla 1.
Tabla 1. Definición de variables
Dependiente
Remoción
%
Independiente
Tiempo de operación
día
Imagen 4. FGA de concreto con algunas modificaciones
1.1 Pregunta problema
¿Cómo mejorar la eficiencia en la operación de los
filtros gruesos ascendentes del FiME del sistema de
acueducto que surte a la Casona de la Hacienda
Majavita y al laboratorio de Zootecnia de la
Universidad Libre S eccional So corro?
Interviniente
Caudal
ml/s
Tasa de filtración
m/h
Turbiedad
UNT
Color
Pt/Co
3.3 Técnicas e instrumentos
Se basó en información primaria recopilada
directamente en la fuente mediante aforos
volumétricos, el trabajo se efectuó FiME.
34
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
Universidad Libre
Seccional Socorro
INNOVANDO EN LA U
En la ejecución de la investigación la forma
cuantitativa primó para determinar el caudal, la
carga hidráulica, la tasa de filtración, el tiempo de
retención hidráulica y el porcentaje de remoción de la
unidad (FGA).
La información recopilada destaca los tiempos para
los caudales, las alturas para la carga hidráulica y las
muestras para determinar turbiedad y color en la
unidad (FGA).
3.4 Materiales y equipos
Los materiales y equipos utilizados en el desarrollo
del proyecto. Agua proveniente del la quebrada La
Nacuma, tanque plástico marca aquaviva, gravilla
número 1,2 y 3 utilizadas en construcción, tuberías
de PVC. Los equipos son: filtros gruesos ascendentes
de plástico y concreto, cámara fotográfica, taladro,
segueta y nivel de mano.
3.5 Procedimiento
Establecer las características actuales de operación
del filtro grueso ascendente del FiME.
Se realizó el siguiente proceso:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Visita inicial al FiME.
Reconocimiento de las unidades del FGA
Monitoreo a las unidades del FGA
Análisis de los datos tomados
Recopilación de información
Proceso de la información obtenida.
Determinar las modificaciones requeridas para
aumentar la eficiencia del filtro grueso ascendente.
Se realizó el siguiente proceso:
1. Se determinaron las modificaciones a realizar.
2. Se hizo la adquisición de los materiales a
utilizar.
3. Se describieron las modificaciones a realizar.
4. Se realizó las modificaciones tales como la
estratificación del
lecho
filtrante,
la
implementación de la cámara de entrada en
el filtro de plástico y la adecuación a la del
filtro de concreto.
Determinar las características de operación de los
filtros gruesos ascendentes del FiME luego de
realizada las modificaciones.
Se realizó el siguiente proceso:
1. Monitoréos para evaluar las características
actuales de funcionamiento.
2. Recopilación de los datos
3. Análisis de los datos
4. Se diseñaron gráficas pertinentes como son
remoción,caudal, tasa de filtración, tiempo de
retención para un lapso de tiempo.
Una vez recopilados los datos se organizaron en
hojas de cálculo para su posterior análisis y diseñaron
las gráficas pertinentes como son caudal respecto de
la tasa de filtración, caudal respecto de la carga
hidráulica, caudal respecto del tiempo de retención
hidráulica, y remociones respecto del caudal, todas
estas realizadas en un período de tiempo.
3.6 Recopilación de datos
Inicialmente se analizó todas las unidades que se
encuentran en el FiME, luego se asignó la unidad de
FGA y se inspeccionó el funcionamiento para
proceder a realizar el primer monitoreo de caudal,
tasa de filtración, tiempo de retención hidráulico, se
midieron algunos parámetros fisicoquímicos como la
turbiedad, color, y sólidos totales, después se hizo la
recopilación de los datos obtenidos, y organizó en
hojas de cálculo para su posterior análisis.
Luego del análisis de los datos se procedió a
establecer las modificaciones que requería el sistema
para concluir que se debía pasar de las características
de funcionamiento del CINARA a las características
específicas del CEPIS, lo cual demostró que se debía
estratificar el lecho filtrante por capas separadas por
malla diamante número dos, se debía instalar la
cámara de entrada en el FGA de plástico y modificar
la que estaba en FGA de concreto, la instalación del
vertedero de control para el FGA de plástico.
3.7 Población y muestra
Se tomaran tres muestras al FGA de entrada-salida y
a la entrada del sistema, durante el proceso inicial
para determinar las condiciones de funcionamiento, y
después de realizadas las modificaciones se
realizaron seis monitoreos de caudal y tres muestras
de parámetros fisicoquímicos para determinar la
eficiencia y remoción del sistema.
4 RESULTADOS
Se realizaron monitoreos a las unidades para
determinar los parámetros iníciales, luego se hicieron
las modificaciones establecidas y se ejecutaron
monitoreos para establecer su funcionamiento.
35
Universidad Libre
Seccional Socorro
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
INNOVANDO EN LA U
4.1 Características iníciales de la unidad FGA
Se realizaron trece monitoreos de caudal para establecer la tasa de filtración.
35
0,3
30
0,25
25
0,2
20
0,15
15
0,1
10
5
0,05
0
0
1
2
3
4
5
6 7
8
0,35
40
35
30
25
0,3
0,25
0,2
0,15
20
15
10
5
0
0,1
0,05
0
9 10 11 12 13
1
3
2
4
5
6
días
7
8
9 10 11 12 13
días
Figura 1. Comportamiento caudal respecto de la tasa de
filtración FGA concreto
Figura 2. Comportamiento del caudal respecto de la tasa de
filtración FGA plástico
Se puede observar que la tasa de filtración el promedio es de 0,24 con un máximo de 0,30, un mínimo de 0,20
una desviación estándar de 0,03 y un error estándar 0,02 estos valores para el FGA de plástico, y un promedio
de 0,20 un máximo de 0,25 y un mínimo de 0,17 desviación estándar de 0,03 un error estándar de 0,02 para
el FGA de concreto.
2,5
35
30
2
25
20
15
2
3
4
5
6
7
8
9
1
20
0,8
1
0,6
10
0,4
0
1
1,2
25
15
0,5
0
30
1,5
10
5
1,4
35
5
0,2
0
0
10 11 12 13
1
2
3
4
5
6
días
7
8
9 10 11 12 13
días
Figura 3. Comportamiento del caudal respecto de la carga
hidráulica FGA plástico
Figura 4. Comportamiento del caudal respecto de la carga
hidráulica FGA concreto
Se puede observar que la carga hidráulica el promedio es de 1,57 con un máximo de 2,00, un mínimo de 0,80
una desviación estándar de 0,33 y un error estándar 0,20 estos valores para el FGA de plástico, y un promedio
de 0,75 un máximo de 1,20 y un mínimo de 0,50 desviación estándar de 0,23 un error estándar de 0,14 para
el FGA de concreto.
4,5
35
35
30
6
30
4
3,5
25
5
25
20
4
20
2,5
15
3
15
3
10
2
10
2
1,5
5
1
5
0,5
0
0
0
0
1 2
3
4
5
6
7
8
días
9 10 11 12 13
Figura 5. Comportamiento del caudal respecto del tiempo
de retención hidráulico FGA concreto
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13
días
Figura 6. Comportamiento del caudal respecto de la tasa de
filtración FGA plástico
36
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
Universidad Libre
Seccional Socorro
INNOVANDO EN LA U
Se puede observar que la tasa de filtración el promedio es de 3,16 con un máximo de 3,81, un mínimo de 2,57
una desviación estándar de 0,38 y un error estándar 0,23 estos valores para el FGA de plástico, y un promedio
de 5,44 un máximo de 6,37 y un mínimo de 4,18 desviación estándar de 0,67 un error es 0,40 para el FGA de
concreto.
Tabla 1. Parámetros de turbiedad, Sólidos totales y color aparente.
Parámetro Turbiedad
Concreto
Plástico
fecha
Entrada
Entrada
salida
Remoción %
entrada
salida
Remoción %
mar-14
40,4
9,82
7,19
7
10,6
8,23
6
feb-28
9,6
4,7
3,21
3,1
3,21
16
-1
abr- 05
26
6,65
6,77
7,9
6,49
0
5
Parámetro Sólidos Totales
Plástico
Concreto
Fecha
Entrada
Entrada
Salida
Remoción %
Entrada
Salida
Remoción %
mar-14
319
282
290
-3
292
290
1
feb-28
580
558
591
557
579
-6
-4
abr- 05
354
316
329
324
324
-4
0
Parámetro Color Aparente
Concreto
Plástico
Fecha
Entrada
Entrada
Salida
Remoción %
Entrada
Salida
mar-14
45
26
23
7
25
23
4
feb-28
15
16
17
15
6
-7
60
abr- 05
27
13
23
23
13
-37
37
16,0
Remoción %
600
14,0
500
12,0
400
10,0
8,0
FGA concreto
6,0
FGA plástico
300
557
FGA concreto
200
FGA plástico
324
4,0
100
2,0
0
0,0
-2,0
mar-14
feb-28
abr-05
Figura 7. Comparación de remoción de turbiedad
en los FGA
-3
mar-14
feb-28
abr-05
-100
Figura 8. Comparación de remoción de sólidos totales
de los FGA
37
Universidad Libre
Seccional Socorro
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
INNOVANDO EN LA U
80
70
60
50
60
40
37
FGA concreto
FGA plástico
30
20
10
4
7
0
mar-14
15
feb-28
23
abr-05
Figura 9. Comparación remoción color aparente
de los FGA
Se puede observar que hay un incremento negativo en la turbiedad del FGA de plástico dando -5% y para el de
plástico en cuanto a sólidos totales se tienen un incremento de -4.33%, para el de concreto -1.5% en
promedio, el de concreto de 5,4% y en color para el FGA de plástico dio un -37% y para el FGA de concreto de
37% lo que nos indica que el FGA de plástico esta contaminando
4.2 Modificaciones realizadas
Las modificaciones realizadas a los filtros gruesos ascendentes se encuentran a continuación:
1. Estratificación del lecho filtrante.
Imagen 5. Filtro grueso ascendente concreto (antes)
Imagen 6. Filtro grueso ascendente concreto (después)
Se estratifico los lechos filtrantes para el filtro grueso ascendente de plástico.
Imagen 7. Filtro grueso ascendente plástico (antes)
Imagen 8. Filtro grueso ascendente plástico (después)
38
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
Universidad Libre
Seccional Socorro
INNOVANDO EN LA U
2.Reestructuración de la cámara de entrada para el FGA de concreto.
Imagen 9. Filtro grueso ascendente concreto (antes)
Imagen 10. Filtro grueso ascendente concreto (después)
Se cambio la cámara de entrada al filtro grueso ascendente de plástico..
Imagen 11. Filtro grueso ascendente plástico (antes)
Imagen 12. Filtro grueso ascendente plastico(después)
3. Instalación del vertedero de control en el FGA de plástico
Imagen 13. Filtro grueso ascendente plástico (antes)
Imagen 14. Filtro grueso ascendente plastico(después)
39
Universidad Libre
Seccional Socorro
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
INNOVANDO EN LA U
4.3 Características después de realizada las modificaciones
Para determinar las características de funcionamiento se realizaron seis monitoreos.
90
30
0,25
25
0,2
1,2
80
1
70
0,8
60
20
0,15
15
0,1
10
50
0,6
40
30
0,05
5
0
0
1
2
3
4
5
0,4
20
0,2
10
0
6
0
1
días
2
3
4
5
6
días
Figura 10. Comportamiento del caudal respecto de la tasa
de filtración FGA concreto
Figura 11. Comportamiento del caudal respecto de la Tasa
de Filtración FGA plástico.
Se puede observar que la tasa de filtración el promedio es de 0,59 con un máximo de 0,97, un mínimo de 0,39
una desviación estándar de 0,21 y un error estándar 0,13 estos valores para el FGA de plástico, y un promedio
de 0,19 un máximo de 0,22 y un mínimo de 0,15 desviación estándar de 0,03 un error estándar de 0,02 para
el FGA de concreto.
90
80
70
60
50
40
3
30
1,2
2,5
25
1
2
20
0,8
1,5
15
0,6
30
1
10
0,4
0,5
5
0,2
0
0
20
10
0
1
2
4
3
0
1
6
5
2
3
días
4
6
5
días
Figura 12. Comportamiento del caudal con respecto
de la carga hidráulica FGA plástico.
Figura 13. Comportamiento del caudal con respecto
de la carga hidráulica FGA concreto.
Se puede observar que la carga hidráulica el promedio es de 2.07 con un máximo de 2,60, un mínimo de 1,50
una desviación estándar de 0,43 y un error estándar 0,26 estos valores para el FGA de plástico, y un promedio
de 0,62 un máximo de 1,00 y un mínimo de 0,30 desviación estándar de 0,26 un error estándar de 0,16 para
el FGA de concreto
30
6
90
1,4
80
1,2
25
5
70
20
4
50
15
3
10
2
5
1
0
0
1
2
3
4
5
6
días
Figura 14. Comportamiento del caudal respecto de
el tiempo de retención hidráulico FGA concreto
1
50
0,8
40
0,6
30
0,4
20
0,2
10
0
0
1
2
3
4
5
6
días
Figura 15. Comportamiento del caudal respecto del tiempo
de retención hidráulico FGA plástico.
40
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
Universidad Libre
Seccional Socorro
INNOVANDO EN LA U
Se puede observar que el TRH promedio es de 0,93 con un máximo de 1,30, un mínimo de 0,51 una desviación
estándar de 0,29 y un error estándar 0,17 estos valores para el FGA de plástico, y un promedio de 4,13 un
máximo de 5,07 y un mínimo de 3,39 desviación estándar de 0,65 un error estándar de 0,39 para el FGA de
concreto.
Tabla 2. Parámetros turbiedad y color aparente
Parámetro Turbiedad
Concreto
Plástico
fecha
Entrada
Entrada
salida
may-25
21,9
13,8
12,6
may-26
25,7
5,26
may-27
19,8
13,2
Remoción %
entrada
salida
Remoción %
12,3
10,7
5
7
3,4
6,23
3,22
7
12
11,3
11,2
10,5
10
4
Parámetro color aparente
Concreto
Plástico
Fecha
Entrada
Entrada
Salida
Remoción %
Entrada
Salida
Remoción %
may-25
288
48
42
87
70
2
6
may-26
34
22
18
15
12
12
9
may-27
180
36
29
76
65
4
6
100
25
6
80
20
15
60
7
12
4
10
5
12,3
FGA concreto
40
FGA plástico
20
6
87
FGA plástico
9
11,2
6,23
15
may-25
may-26
76
0
0
may-25
FGA concreto
may-26
may-27
may-27
Figura 16. Comparación de remoción de turbiedad FGA
Figura 17.Comparación de remoción de color aparente FGA.
Se puede observar en las figuras el comportamiento de remoción en turbiedad con un promedio de 8,53 en el
filtro de plástico y en el de concreto una remoción del 7,5 en promedio y color aparente un promedio de 6 para
el filtro de plástico y para el de concreto una remoción del 7 en promedio, en este caso después de realizadas
las modificaciones podemos ver que hay remociones en cuanto color aparente y turbiedad del agua.
5 DISCUSIÓN
Al tener en cuenta las remociones iníciales de construcción del FiME resulta que la unidad está removiendo
menos de lo que se esperaba, aunque al observar las condiciones iníciales de cuando se recibió la unidad se
puede observar que la remoción es considerable aunque no alcance los parámetros de remoción para los que
fue construido, inicialmente las unidades del FGA fueron creadas según el grupo CINARA, se aplicaron unas
modificaciones que fueron guiadas por los artículos del CEPIS, de esta forma quedó establecido que los lechos
filtrantes, según la teoría y los parámetros de remoción obtenidos, están dentro de los rangos que se
establecieron.
41
Universidad Libre
Seccional Socorro
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
INNOVANDO EN LA U
6 CONCLUSIONES
La unidad en el momento que se recibió los parámetros evaluados arrojaba que el agua al pasar por el filtro, los
valores se incrementaban de manera contundente, lo cual se presentaba por la colmatación presente.
Una vez evaluado el sistema se procedió a realizar las modificaciones convenientes y se revisó las
características de funcionamiento del CEPIS y procedió a realizarlas cambiando las de CINARA.
Los filtros gruesos ascendentes del FiME incumplen los parámetros de remoción de su diseño porque se
presentaban incrementos en promedio del 4% en sólidos totales, 12% en color aparente y una remoción en
turbiedad del 7% para el filtro grueso ascendente de plástico, y remoción en turbiedad del 3% y en color del
34% y un incremento en sólidos totales del 1% para el filtro grueso ascendente de concreto.
De acuerdo con los parámetros para los que fue diseñado los FGA son de turbiedad de 50 UNT, los filtros
gruesos ascendentes no cumplen con dichos parámetros debido a que se presentan incrementos y no
remociones.
6.1 Planes para el trabajo futuro
Realizar modificaciones en el filtro grueso ascendente de plástico al invertirle el sentido del flujo del agua, es
decir crear el filtro grueso de flujo descendente y realizar los monitoreos pertinentes para así evaluar y
comparar con el filtro grueso de flujo ascendente de concreto.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su agradecimiento al director del proyecto ingeniero Haimar Ariel Vega Serrano, por su
orientación y apoyo en la investigación.
REFERENCIAS BIOGRÁFICAS
Cinara (1998). La Filtración En Múltiples Etapas en el tratamiento de agua para el consumo humano. El Caso de
Mondomo (Colombia).
Vega Serrano, Haimar Ariel. Ardila, Cesar y Carrizosa Diego. (2010). Sistemas de filtración en múltiples etapas
FiME en unidades de polipropileno y concreto. Cuarta edición. El Centauro Expresión Libre Comunera.
Sotelo Ávila, Gilberto (1997). Tipos de vertederos. Hidráulica General. Noriega Editores. México.
Organización Panamericana de la Salud-Cepis. “Guía para diseño de sistemas de tratamiento de
filtración en múltiples etapas”. En: www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan30/040065/tema2-2.pdf
42
Revista Innovando en la U. No. 3. Año 2. Segundo semestre 2011.
Universidad Libre
Seccional Socorro