TEMA FILTRACIÓN RÁPIDA

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1 TEMA FILTRACIÓN RÁPIDA 1.- FUNDAMENTOS 2.- FUNCIONAMIENTO DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA 3.- ESTRUCTURA Y TIPOLOGÍA Estructura Tipología de filtros 4.- CONTROL DEL PROCESO 5.- PARÁMETROS DE DISEÑO Aplicaciones Parámetros de diseño según el tipo de filtro Parámetros de diseño generales 1.- FUNDAMENTOS En el proceso de filtración rápida el agua atraviesa el lecho filtrante a velocidades que pueden oscilar entre 4 y 50 m/h. A estas velocidades apenas se forma biopelícula y los procesos biológicos van a ser escasos y, si existen, se va a tratar de eliminarlos. Se busca hacer funcionar todo el lecho del filtro. Los mecanismos de eliminación de partículas que van a preponderar serán los físicos. 2.- FUNCIONAMIENTO DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA Si se representa en un sistema de coordenadas x-y la turbidez y la pérdida de carga frente al tiempo en un proceso a caudal y velocidad de filtración constantes se obtiene curvas como las siguientes: PÉRDIDA DE CARGA TURBIDEZ EN AGUA TRATADA [SS] Hmáx Ho [SS]máx TIEMPO Tmáx El punto óptimo de funcionamiento será aquel en que la pérdida de carga máxima coincida con la turbidez máxima. La carrera queda perfectamente limitada. Si se analizan las curvas de SS y H a lo largo del espesor (figuras siguientes) llegará un momento en que la superficie ya no puede ensuciarse más y se va transmitiendo sólidos en profundidad. A esto se denomina avance del frente de filtración. En un momento dado, empezarían a llegar hasta el fondo del lecho cantidades importantes de SS y la turbidez del efluente se incrementaría notablemente. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P1

2 [SS] inicial [SS] H to t1 t2 tn tn Presión estática sin flujo Turbidez inicial casi constante t2 t1 to X to t1t2 tn AUMENTO EN LA CONCENTRACIÓN FINAL DE SS Presiones negativas X to Si se analiza la evolución de la pérdida de carga, las impurezas retenidas quedan bloqueadas en los primeros centímetros del lecho y crean pérdidas de carga locales muy fuertes, capaces de acortar el ciclo de filtración. Son normales fuertes pérdidas de carga localizadas en los 15 primeros centímetros del lecho. Podría suceder que se generen presiones negativas (P < Patm). Estas presiones se producen cuando la pérdida de carga en las capas superiores llega a ser mayor que la altura de agua sobre la arena. En ese caso, la columna de agua inferior actúa como un tubo de aspiración, originando un vacío parcial o presión negativa, que cuando es excesiva permite que se libere parte del aire disuelto en el agua formando bolsas que disminuyen el área efectiva y por lo tanto aumenta la velocidad de filtración. Adicionalmente, al inicio del lavado en contracorriente puede escapar una masa de aire antes de que se rompa el conjunto de la superficie de la arena, y esto permitirá que se produzca una alta velocidad local del agua de lavado con el posible desplazamiento del lecho. Por una razón u otra (turbidez o h máxima) habrá que proceder a limpiar todo el lecho filtrante, no es suficiente una limpieza superficial, aunque sea la zona más sucia. Lo habitual es expandir el lecho de arena mediante un flujo ascendente de agua (a contracorriente). Se produce un auténtico sifonamiento del lecho granular. Las partículas que habían quedado retenidas son puestas en suspensión y arrastradas por el agua de lavado. Los granos chocan unos con otros y se favorece el despegue y arranque de la suciedad adherida. El agua de lavado, que ahora incorporaría todos los SS acumulados durante la carrera del filtro, se debe recoger a través de canaletas o dispositivos especiales. 3.- ESTRUCTURA Y TIPOLOGÍA ESTRUCTURA Un filtro está constituido por: Un depósito de hormigón abierto de 6 a 100 m 2 de superficie. Un falso fondo de hormigón material cerámico o material plástico, en donde se colocan las boquillas u orificios de drenaje y de inyección de agua y aire de lavado. Una capa o lecho filtrante, situada sobre el falso fondo. P2 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano

3 Uno o varios canales de entrada de agua bruta, dotados de vertederos o compuertas, que faciliten una distribución homogénea del agua sobre el lecho filtrante. Uno o varios canales de recogida de agua de lavado. Condiciones de agua bruta, agua de lavado y agua filtrada. Bombas y llaves de paso y de protección. Si el lavado está automatizado son necesarios cuadros de control y monitorización. Diversos aparatos de control y/o medida de caudal, altura de lámina de agua y pérdida de carga. Nivel de agua filtrando Nivel de agua lavando Lecho filtrante Capa de grava Depósito de agua filtrada Canaleta de recogida de agua de lavado Boquillas u orificios Bomba para impulsión del agua de lavado En las plantas de tratamiento se colocan varias unidades de filtración. Un canal de distribución asegura la llegada de agua bruta al filtro. Los procesos de lavado se van alternando de forma que se optimice la explotación. Batería de filtros en una ETAP I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P3

4 El porcentaje de expansión de la arena dependerá del tipo de lavado. Si es solo con agua alcanza del 25 al 40 % del espesor del lecho. Si se emplea agua + aire la expansión será máximo de un 15 %. A mayor expansión mayor caudal de lavado, con el consiguiente incremento en el consumo energético y pérdidas de agua, y por lo tanto, en los costes de explotación. Es importante mantener constante durante un lavado solo con agua el caudal de agua que se introduce. Mientras, que en el lavado con agua + aire, el caudal de agua puede variarse durante la operación de lavado. Filtro en fase de lavado TIPOLOGÍA DE FILTROS En función del criterio que se utilice, se puede realizar diferentes clasificaciones de filtros: Según la fuerza impulsora para hacer pasar el agua por el filtro: a) filtros de gravedad b) filtros a presión Según la estructura: a) abiertos: el agua está a presión atmosférica, suelen ser de hormigón, en algunos casos se pueden cubrir b) cerrados: suelen ser presurizados, se utilizan materiales metálicos. Según el lecho: a) lecho monocapa: se utiliza un sólo material; casi siempre se coloca arena silícea; en el fondo del lecho, sobre el falso fondo, se suele colocar una subcapa de grava b) filtro multicapa: consiste en disponer diferentes materiales en capas. Existen varias posibilidades en función del objetivo perseguido. Si lo que se busca es que el filtro se ensucie homogéneamente habrá que colocar capas de diferentes tamaños eficaces: en las superiores tallas efectivas mayores y en el fondo las menores. Las partículas más gruesas se van a quedar en superficie pero el resto del lecho va a retener de forma progresiva el resto de los tamaños. El filtro se ensucia de forma global y de esta forma la carrera puede ser mayor. El problema surge cuando hay que realizar el lavado. Al sifonar P4 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano

5 todos los materiales, hay que generar un flujo lo suficientemente intenso para que movilice los tamaños mayores. Al cesar el flujo los materiales pesados van a ser los que sedimenten primero y queden en las capas inferiores. Es necesario elegir materiales con diferentes densidades para que el filtro se reconstruya de la forma correcta. En este tipo de filtros se colocan materiales como: antracita, arena y granate. Los tamaños más pequeños deben ser los de mayor densidad. Según el flujo: a) de flujo descendente: es la tipología normal b) de flujo ascendente: esta modalidad tiene la ventaja de que se puede construir un filtro multicapa con un solo material, ya que los tamaños gruesos son los que van a estar en el fondo del lecho, que es por donde accede el agua bruta en este caso. Según la metodología de lavado: a) sólo con agua en flujo ascendente o descendente b) agua y aire, en flujo ascendente o descendente: el aire produce una gran turbulencia y fuerzas de tipo cortante que facilitan el desprendimiento de la suciedad; se puede introducir primero el aire y posteriormente el agua, o hacerlo de forma conjunta c) lavado superficial: el lavado puede hacerse más intenso en superficie, que es donde se puede haber acumulado más suciedad, mediante lanzas de chorro de agua. 4.- CONTROL DEL PROCESO El objetivo del control del proceso es optimizar el funcionamiento y la explotación del filtro. Se debe evitar, fundamentalmente, la rotura del filtro, que traería como consecuencia la resuspensión de las partículas que ya habían sido retenidas. Fuertes oscilaciones de caudal, y de la velocidad de filtración por tanto, pueden producir tal fenómeno. Si la velocidad aumenta durante el ciclo de filtración comienza el arrastre de partículas que antes habían quedado retenidas e incluso puede descolocar y mover el lecho. Si la velocidad permanece constante el proceso se desarrolla en equilibrio. Si la velocidad decrece se disminuye la capacidad de tratamiento, aunque los resultados pueden ser mejores. Por tanto, es necesario colocar sistemas de control y regulación de los filtros. Existen diferentes estrategias y técnicas de control: a) Control de los caudales que acceden a cada filtro: El canal de distribución asegura la llegada de agua bruta al filtro. En la entrada del filtro se pueden incorporar vertederos o sifones. El sifón permite introducir caudales constantes aunque varíen los niveles en el canal de distribución. La colocación de vertederos implica que debe controlarse el caudal principal en el canal previo. Otra forma de control de caudales es la utilización de bombas. Los citados anteriormente son sistemas que aseguran un caudal de entrada constante pero el nivel de agua sobre el filtro va a ser variable conforme se va ensuciando. Cuando el I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P5

6 filtro está limpio, la arena se encuentra justamente cubierta de agua, cuyo nivel se mantiene a la cota del vertedero de salida de agua filtrada. Cuando el atascamiento es máximo, el nivel alcanza la cota del plano de agua de alimentación. Sifón o vertedero Nivel variable Generalmente, la variación de nivel de agua a lo largo del ciclo es de 1,50 a 2,00 m según la granulometría del lecho filtrante. b) Caudal constante de entrada y nivel constante de filtración: El elemento de entrada es más sencillo al mantenerse siempre el mismo nivel en el interior del depósito durante la filtración. Una comunicación sencilla entre canal de distribución y el depósito del filtro permitiría una entrada de caudal constante. Este sistema es el más habitual. El sistema de control consiste básicamente en un flotador que está conectado a un elemento sifónico a la salida del filtro (ver figura siguiente). Cebado ó descebado del sifón h máxima Cuando el flotador baja por debajo de una cota el sifón se desceba y deja de sacar agua. Cuando el nivel sube se cierra la entrada de aire al sifón y se ceba de nuevo, comenzando a extraer agua ya filtrada. Durante la carrera del filtro se mantiene una pérdida de carga máxima ficticia. El filtro cada vez produce más pérdida de carga, al ensuciarse, pero el flujo se fuerza con el sistema de control. c) Caudal de salida constante: El control se basa en la conexión de una válvula automática a un sistema de medición de caudales. El caudal de salida sufre de esta forma sólo oscilaciones muy pequeñas. El nivel en el interior del depósito del filtro va a ser variable. P6 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano

7 Nivel variable Q d) Sistemas de velocidad decreciente: Se basan en el ensuciamiento del filtro. El filtro que más suciedad tenga va ser el que menos caudal deje pasar. El caudal de entrada va a distribuirse de forma no homogénea. El filtro más limpio de la batería recibe el mayor caudal. Si se alimenta de modo que se produzca una pérdida de carga despreciable en la entrada al filtro y se va disminuyendo el caudal aplicado, el incremento de la pérdida de carga en el lecho puede hacerse igual a la disminución de la pérdida de carga en el sistema colector y así la altura de filtración es la misma para toda la batería de filtros. En la práctica, el nivel del agua en el filtro tenderá a subir, puesto que el aumento de la pérdida de carga en el lecho es más rápido que el decrecimiento en el sistema colector. También puede ser igual la cota de los vertederos de salida de agua ya tratada. Nivel constante Los diversos sistema de regulación y control tienen un objetivo común, que es el de minimizar las oscilaciones y las velocidades de filtración elevadas que pueden causar afecciones al lecho. Los diseños del tipo de caudal decreciente son más lógicos, ya que los caudales mayores se aplican a los filtros limpios con lo que el riesgo de rotura del lecho es menor. Además, es poco probable que se produzcan oscilaciones, puesto que la velocidad solamente puede aumentar si lo hace la carga sobre el filtro y ello requiere una cantidad apreciable de tiempo. 5.- PARÁMETROS DE DISEÑO Es conveniente revisar previamente las líneas o aplicaciones generales de los sistemas de filtración. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P7

8 5.1.- APLICACIONES En función del tipo de agua que se va a tratar se utiliza la filtración lenta o la rápida y se acompañan de otros procesos complementarios: Agua natural: SS < 15 ppm. Posible filtración lenta. Posible filtración rápida directa (1). Agua natural: SS < ppm. Posible coagulación más filtración rápida (1). ("coagulación sobre el filtro"). Agua natural: SS > ppm. Posible coagul.+ flocul. + decantación + filtro rápido monocapa (1). Posible coagul.+ flocul. + decantación + filtro rápido multicapa (2). Agua de piscinas: Posible filtro rápido de alta velocidad. Posible filtro a presión (3), (procesos con recirculación constante) PARÁMETROS DE DISEÑO SEGÚN EL TIPO DE FILTRO En la tabla siguiente se especifican las características del lecho y los parámetros de proceso que se deben cumplir en un filtro. La numeración entre paréntesis y negrilla se refiere a las referencias utilizadas en el apartado anterior. Tabla.- Valores recomendados para el diseño de filtros rápidos CARACTERÍSTICAS DEL LECHO FILTRO (1) (monocapa) FILTRO (2) (multicapa) FILTRO (3) (piscinas) MATERIAL Arena silícea Antracita Arena silícea Arena silícea ESPESOR 0.7 ( )* 0.6 ( ) 0.9 ( ) (m) 1.0 ( ) TAMAÑO EFECTIVO ( ) 1.3 ( ) 0.5 ( ) (mm) 0.6 ( ) COEF. DE UNIFORMIDAD (<2) (<2) (<2) VELOCIDAD DE FILTRACIÓN < 7.5 lav. (4-15) < 10 lav.(10-15) 50 lav.(40-60) (m/h) PÉRDIDA DE CARGA MÁXIMA (m) 1.5 mca 1.5 mca 10 mca * Las cifras que aparecen entre paréntesis se refieren a rangos de variación. Tabla.- Valores de diseño para el lavado de filtros rápidos a gravedad MÉTODO VELOCIDAD DE LAVADO (m/h) TIEMPO DE LAVADO (minutos) SÓLO AGUA 60 (50-70) AGUA + AIRE AGUA> 20 (12-30) AIRE 50 (40-80) 1-5 P8 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano

9 Tabla.- Otros parámetros generales de diseño Expansión del lecho durante el lavado solo con agua: Arena...< 50% Antracita... < 100% Máximo recorrido horizontal del agua de lavado hacia canaletas metros Pérdidas de agua por lavado: con coagul.+flocul.+decant. previa...< 1.5% sin coagul.+flocul.+decant. previa...< 3.0% Carrera de filtro horas (12 h - 72 h) 3 Número de filtros... N a Q( m / d)...n 2 Superficie unitaria... S h entre 20 y 50 m 2... < 130 m 2 = estando a entre y EJERCICIOS E1.- Qué tipo de problemas genera la existencia de presiones negativas en un lecho filtrante? E2.- Tipología de filtros en función del lavado del lecho. E3.- Qué es la carrera de un filtro? E4.- En qué consiste la rotura de un filtro? E5.- Cual sería una línea de tratamiento adecuado para un agua con una concentración de sólidos en suspensión de 60 mg/l? E6.- Cita los elementos necesarios para el lavado con agua + aire de un filtro de flujo descendente. E7.- Explica en qué tipo de filtros y por qué se pueden dar presiones negativas. E8.- Explica por qué se limita la distancia de recorrido hacia las canaletas de recogida de agua de lavado. BIBLIOGRAFÍA AWWA; (1975); "Control de calidad y tratamiento de agua"; American Water Works Association; Instituto de Estudios de la Administración Local; Madrid. CLARK, J.; (1977); "water supply and pollution control"; Hasper international Edition; Nueva York. FAIR, G.M.; GEYER, J.C.; OKUN, D.A.; (1971); "Ingeniería sanitaria y de aguas residuales"; 2 vol.; Editorial Limusa - Willey; Méjico. DEGREMONT; (1979); "Manual técnico del agua"; cuarta edición; ISBN GOMELLA, C.; GUERREE, H.; (1977); "Tratamiento de aguas para abastecimiento público"; Editores Técnicos Asociados; S.A.; barcelona. HERNÁNDEZ, A.; (1993); "Abastecimiento y distribución de agua"; Colección Seinor (nº 6); Colegio de Ing. de Caminos, Canales y Puertos, Madrid; 3º edición; ISBN I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P9

10 KEINATH, T.M.; WANIELISTA, M.; (1975); "Mathematical modeling for water pollution control processes"; Ann Arbor Science, Michigan. KEMMER, F.N.; (1993); "Nalco. Manual del agua. Su naturaleza, tratamiento y aplicaciones"; Editorial McGraw-Hill, ISBN METCALF-EDDY; (1985); "Ingeniería sanitaria. Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas residuales"; Editorial Labor; Barcelona; ISBN NALCO CHEMICAL, Co.; (1993); "Manual del agua. Su naturaleza, tratamiento y aplicaciones"; McGraw-Hill; Méjico; ISBN PAZ MAROTO, J.; PAZ CASAÑÉ, J.M.; (1969); "Abastecimiento y depuración de agua potable"; Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid. RIGOLA LAPEÑA, M.; (1989); " Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales"; Colección Prodúctica; Editorial Marcombo; Barcelona; 158 págs.; ISBN: STEEL, E.W.; McGHEE, T.; (1981); "Abastecimiento de agua y alcantarillado"; Editorial Gustavo Gili, S.A.; Barcelona; 636 págs.; ISBN TEBBUTT; T.H.Y.; (1990); "Fundamentos de ccontrol de la calidad del agua"; Editorial Limusa; México; 240 págs.; ISBN: WEBER, W.J.; (1979; " Control de la calidad del agua. Procesos fisico químicos"; Editorial Reverté, 654 pgs.; ISBN P10 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano