1
HUACHO-2017
SISTEMA DE FILTRACION DE AGUA POTABLE
INTEGRANTES:
1. BAZALAR MONTOYA Jaqueline Elizabeth 2. DIAZ COTRINA Wilson Anthony
3. FALCÓN ZÚÑIGA Marlo
4. JACHA VALDERRAMA Luciano Jacob 5. MORALES RAMIREZ Delvis David 6. ROQUE FLORES Efrain
7. TOLEDO ZAPANA Jonathan 8. SALAZ VELASQUEZ Jimmy Jesús 9. SANCHEZ OBREGÓN Augusto Omar
3 SISTEMA DE FILTRACION DE AGUA POTABLE
1. INTRODUCCION: ... 5
2. DEFINICION: ... 6
3. TIPOS DE FILTRACION: ... 6
3.1. FILTRACIÓN LENTA DE ARENA (FLA) ... 6
3.1.1. CONCEPTO ... 6
a) CAJA DE FILTRACIÓN Y SU ESTRUCTURA DE ENTRADA: ... 7
b) LECHO FILTRANTE: ... 8
c) SISTEMA DE DRENAJE, QUE INCLUYE LECHO DE SOPORTE Y CÁMARA DE SALIDA: ... 9
d) CAPA DE AGUA SOBRENADANTE: ... 9
3.1.2. CONJUNTO BÁSICOS DE UN FILTRO LENTO DE ARENA (FLA) CON CONTROL A LA ENTRADA: ... 9
3.1.3. CONSIDERACIONES DE FILTRO LENTO DE ARENA (FLA): ... 10
3.1.4. DIMENSIONAMIENTO DE FILTRO LENTO DE ARENA (FLA): ... 11
3.1.5. DISPOSITIVOS DE REGULACION DE FILTRO ... 13
3.1.6. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN FILTRO LENTO ... 13
3.1.7. RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO POR CADA COMPONENTE DEL FILTRO LENTO ... 14
3.1.8. FORMULAS UTILIZADAS EN EL DISEÑO DEL FILTRO LENTO ... 16
3.1.9. EJEMPLO DE APLICACIÓN ... 17
3.2. FILTRACION RAPIDA ... 20
3.2.1. CONCEPTO ... 20
3.2.2. APLICACIONES DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA: ... 21
3.2.3. TIPOS DE FILTROS RAPIDOS ... 23
3.2.3.1. FILTROS DE PRESION ... 23
3.2.3.2. FILTRO DE FLUJO ASCENDENTE ... 24
3.2.3.3. FILTRO DE MEDIOS MULTIPLES ... 24
3.2.4. ASPECTOS TECNICOS ... 25
3.2.5. OPERACIÓN Y CONTROL DEL FILTRO RAPIDO ... 26
3.2.5.1. OPERACIÓN ... 26
3.2.5.2. CONTROL ... 27
3.2.6. FILTRACION A RITMO ASCENDENTE ... 30
3.2.7. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO ... 31
3.2.8. ARREGLOS PARA EL RETRO LAVADO: ... 31
4
3.2.10. FILTRACIÓN RÁPIDA APLICADA A PEQUEÑAS COMUNIDADES ... 41
3.2.11. FILTRACION GRUESA ... 43
3.3. FILTROS BIOLOGO ... 45
3.3.1 PROCESO DE RECOLECCIÓN ... 45
3.3.2 PROCESO DE TRATAMIENTO ... 45
3.3.3 PROCESO DE DISPOSICIÓN FINAL ... 46
3.3.4 EL FILTRO BIOLÓGICO ... 47
3.3.5 SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ... 47
3.3.5.1 PRETRATAMIENTO ... 47
3.3.5.2 TRATAMIENTO PRIMARIO ... 47
3.3.5.3 TRATAMIENTO SECUENDARIO ... 47
3.3.6PROCESOS BIOLÓGICOS DE DEPURACIÓN AEROBIA ... 48
3.3.7 REACCIONES DE OXIDACIÓN Y RESPIRACIÓN ENDÓGENA ... 49
3.3.8 FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA OXIDACIÓN BIOLÓGICA ... 49
3.3.9 EL PROCESO DE FANGOS ACTIVADOS ... 50
3.3.10 SISTEMAS ANAEROBIOS ... 50 3.3.11 RESPIRACIÓN ANAERÓBICA... 51 3.3.12 FERMENTACION ... 52 3.3.13 DIGESTIÓN ANAEROBIA ... 52 3.3.14 TRATAMIENTO ANAEROBIO ... 53 3.3.15 SULFATO REDUCCIÓN ... 54 3.3.16 DESNITRIFICACIÓN ... 54 3.4 FILTROS PERCOLADORES ... 55
3.4.1 CARACTERÍSTICAS DEL FILTRO PERCOLADOR ... 55
3.4.2 TIPOS DE FILTROS PERCOLADORES ... 57
3.4.2.1 FILTROS DE BAJA CARGA: ... 57
3.4.2.2 FILTROS DE ALTA CARGA: ... 57
3.4.2.3 FILTROS PERCOLADORES CONVENCIONALES O DE TASA BAJA: ... 58
3.4.2.4 FILTROS DE TASA INTERMEDIA: ... 58
3.4.2.5 FILTROS DE TASA ALTA: ... 59
3.4.2.6 FILTROS DE TASA SUPER ALTA: ... 59
3.5 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ... 63
3.6 MEDIOS FILTRANTES ... 63
3.6.1 DRENAJE INFERIOR ... 64
3.6.2 VENTILACIÓN ... 64
5 1. INTRODUCCION:
El Filtro es un sistema para obtener agua de una característica transparente. Esto es dado que opera sobre una señal o señales de entrada en una forma predeterminada. Los filtros en general se consideran parte del estudio de circuitos, redes o sistemas lineales. Los cuales están compuestos de una combinación de resistencia, inductores y condensadores. Es posible obtener una gran variedad de características de transferencia utilizando estos elementos, a menudo se requieren gran cantidad de componentes. Esto conduce a buscar alternativas a filtros activos.
Un filtro es un circuito que se ha diseñado para pasa una banda de frecuencias especificadas. Mientras se atenúa todas las señales fuera de esa banda. Los circuitos que se utilizan para el filtrado pueden se activos o pasivos. Los circuitos de filtrado pasivo contienen solamente resistencias, inductores y condensadores. Los circuitos de filtrados activos, son los que emplean transistores, inductores y condensadores. Los inductores a no se utilizan a menudo en los filtros activos, debido a que son voluminosos, costosos y tienen grandes componentes resistentes internos.
6 2. DEFINICION:
El filtro es un tratamiento secundario y es uno de los tantos procesos de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) que viene precediendo al pre-filtro y es el encargado al igual que sus mecanismos anteriores de brindar, como su propio nombre lo dice, un proceso de filtración a las aguas residuales servidas a una comunidad u otra entidad que tenga la necesidad de tratar sus aguas residuales. Los límites permisibles para la cantidad de couliformes contenidos en las aguas a tratar se verán con el avance de este capítulo dependiendo del tipo de filtración de la cual estemos hablando. A continuación le mostramos los tipos de filtración más usados en la actualidad.
3. TIPOS DE FILTRACION:
3.1. FILTRACIÓN LENTA DE ARENA (FLA)
3.1.1. CONCEPTO
La filtración lenta es uno de los procesos de tratamiento de agua más efectivos, simples y económicos. Es apropiado para áreas rurales. Su diseño sencillo facilita el uso de materiales y mano de obra locales. Requiere poco o ningún equipo especial. Este proceso difiere de la filtración rápida en arena, en su naturaleza biológica, su alta eficiencia y su facilidad de operación y mantenimiento para pequeñas comunidades.
Al filtrarse el agua por este sistema se mejora considerablemente su calidad al eliminarse la turbiedad y reducirse considerablemente el número de microorganismos (bacterias, virus.).
Debido al percolación del agua a través movimiento lento del agua y al alto tiempo de retención, este proceso se asemeja a la del subsuelo.
7 El tratamiento del agua en una unidad de FLA es el producto de un conjunto de mecanismos de naturaleza biológica y física, los cuales interactúan de manera compleja para mejorar la calidad microbiológica del agua.
La estructura de ingreso consiste en una cámara de distribución con vertederos rectangulares para distribuir el caudal uniformemente a todas las unidades del sistema y válvula de limpieza. Si no se han considerado unidades previas para acondicionar la calidad del agua, en esta cámara se incluirá el sistema de ajuste y medición de caudal, consistente en una válvula y un vertedero triangular. Las cajas de los filtros deberán ser, por lo menos, dos y estarán compuestas de un sistema de drenaje, con un lecho de arena fina, colocado sobre una capa de grava que constituye el soporte de la arena la cual, a su vez, se encuentra sobre un sistema de tuberías perforadas que recolectan el agua filtrada. El flujo es descendente, con una velocidad de filtración muy baja que puede ser controlada preferiblemente al ingreso del tanque.
La estructura de salida es común a dos unidades y comprende un vertedero de control de nivel máximo de operación, una caja de desagüe, dos cámaras de salida cada una con un vertedero de control de nivel mínimo, una válvula para comunicar la cámara de salida con la de desagüe, una válvula para
intercomunicar las cámaras
de salida, una cámara de reunión del efluente y dos válvulas para eliminar el efluente inicial
a) CAJA DE FILTRACIÓN Y SU ESTRUCTURA DE ENTRADA:
La caja del filtro posee un área superficial condicionada por el caudal a tratar, la velocidad de filtración y el número de filtros especificados para operar en paralelo. Se recomiendan áreas de filtración máxima por módulo de 100 m2 para facilitar las labores manuales de operación y mantenimiento el filtro.
8 La estructura consta de un vertedor de excesos, canales o conductos para distribución, dispositivos para medición y control de flujo, cámara de entrada y ventana de acceso al filtro propiamente dicho.
b) LECHO FILTRANTE:
Una unidad de filtración lenta en arena consta generalmente de los siguientes elementos:
El medio filtrante debe estar compuesto por granos de arena duros y redondeados, libres de arcilla y materia orgánica. La arena no debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio.
Para el lecho filtrante se recomienda la siguiente granulometría y espesor de capas:
Criterios de Diseño Valores Recomendados Altura de arena (m) Inicial Mínima Diámetro efectivo (mm) Coeficiente de Uniformidad Aceptable Deseable
Altura del lecho de soporte, incluye drenaje (m)
1.00 0.50 0.15 - 0.35 < 3 1.8 – 2.0 0.1 – 0.3
La velocidad de filtración varía entre los 0.1 y 0.2 m/h dependiendo de la calidad del agua cruda. A mayor contaminación del agua afluente menor velocidad de filtración. La altura del agua sobre el lecho filtrante puede variar entre 1.0 y 1.50 m.
9 c) SISTEMA DE DRENAJE, QUE INCLUYE LECHO DE SOPORTE Y CÁMARA
DE SALIDA:
El nivel mínimo del filtro se controla mediante el vertedero de salida, el cual se debe ubicar en el mismo nivel o 0.10 m. por encima de la superficie del lecho filtrante.
d) CAPA DE AGUA SOBRENADANTE:
Se recomienda una altura de agua sobrenadante de 1.0 a 1.5 m. y un borde libre entre los 0.2 y 0.3 m.
3.1.2. CONJUNTO BÁSICOS DE UN FILTRO LENTO DE ARENA (FLA) CON CONTROL A LA ENTRADA:
Válvula para controlar entrada de agua pre tratada y regular velocidad de filtración
Dispositivo para drenar capa de agua sobrenadante, “cuello de ganso”. Conexión para llenar lecho filtrante con agua limpia
Válvula para drenar lecho filtrante Válvula para desechar agua tratada
Válvula para suministrar agua tratada al depósito de agua limpia Vertedero de entrada
Indicador calibrado de flujo Vertedero de salida
Vertedero de excesos Cámara de entrada a FLA Ventana de acceso a FLA
10 3.1.3. CONSIDERACIONES DE FILTRO LENTO DE ARENA (FLA):
Las cámaras de filtración pueden ser construidas de hormigón reforzado, ferro cemento, concreto ciclópeo o mampostería estructural.
Verificar la instalación de juntas de construcción y/o dilatación con base a planos y/o especificaciones técnicas.
El medio filtrante no debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio para evitar que se produzcan cavitaciones al ser atacados estos elementos por aguas con alto contenido de dióxido de carbono.
El contenido de lodo en la arena no debe ser mayor al 1% en volumen antes de instalarse en el filtro.
La solubilidad de la arena en ácido clorhídrico no debe exceder el 5% después de 30 minutos de iniciada la prueba. La grava de la capa soporte no debe perder más del 5% de su peso al sumergirla por 24 horas en ácido clorhídrico.
El sistema de drenaje puede tener diversas configuraciones: drenes principales y laterales construidos de tuberías perforadas, bloques o ladrillos de concreto o arcilla cocida, losas prefabricadas de hormigón sobre vigas de hormigón, etc. De manera que se asegure un flujo uniforme del agua a través del medio filtrante. El sistema de drenes está cubierto por capas de grava. Si los drenajes son de ladrillo, estos deberán asentarse con mortero cuando
los filtros estén localizados en zonas sísmicas; en caso contrario simplemente se acomodan formando canales.
11 Considerar un ingreso adicional por el fondo de la unidad, para efectuar el llenado del filtro. Esto se consigue interconectando las unidades en la cámara de salida.
Considerar instalaciones adicionales como:
- Una plataforma (losa o terraza) colindante con los filtros, que facilite la operación de limpieza del filtro y el lavado de arena.
- Un sistema similar para sacar o meter la arena al filtro.
- Un sistema para recuperar la arena que se ha retirado de los filtros. 3.1.4. DIMENSIONAMIENTO DE FILTRO LENTO DE ARENA (FLA):
a) Caudal de diseño (Qd): Se expresa en (m3/h)
b) Número de unidades (N): Mínimo dos unidades de filtración c) Área superficial (As):
Área superficial (𝑨𝒔) = 𝐐𝐝 𝐍𝐱𝐕𝐟 Dónde: As = m2 Vf = velocidad de filtración (m/h) Qd = caudal de diseño (m3/h) N = número de unidades d) Coeficiente de mínimo costo (K):
K = (2*N)/(N+1) e) Longitud de unidad:
L = (As x K)1/2 f) Ancho de unidad:
b = (As/K)1/2
g) Velocidad de filtración real (VR): VR = Qd/(2 x A x B)
h) Sistema de drenaje:
Los drenes se diseñarán con el criterio de que la velocidad límite en cualquier punto de estos no sobrepase de 0.30 m/s. La relación de velocidades entre el dren principal (Vp) y los drenes secundarios (Vs) debe ser de: Vp/Vs < 0.15, para obtener una colección uniforme del agua filtrada.
12 Se producen pérdidas de carga en las tuberías, en las válvulas, lecho filtrante, drenes y vertederos.
Lecho filtrante: Esta en función de la granulometría del material, velocidad de filtración.
Drenes: (menor a 10%)
hd = 0.33 l 1/dh .V2/2g
Donde, dh: diámetro hidráulico
V: velocidad del dren, (dh= 4Ad/P) Ad: área del dren
P: perímetro del dren
Compuerta de entrada:
hf1 = K V2 / 2g ; V = VF Af / AC
Donde, AC : área de la compuerta (m2) Af : área de filtración (m2) VF: velocidad de filtración (m/s) Vertedero de salida:
Hf2 =Qd2 /3/1.84 Lv
Donde, Lv : longitud de cresta del vertedero genera(m) Qd: caudal de diseño (m3/h)
13 3.1.5. DISPOSITIVOS DE REGULACION DE FILTRO
Normalmente se utilizan los siguientes:
- Entrada de agua cruda al reservorio de agua sobrenadante hasta un nivel constante dentro del tanque del filtro.
- Eliminación del exceso de agua y la nata por medio de un vertedero de derrame de rebose.
- Drenaje del agua sobrenadante antes de efectuar la limpieza del filtro. - Drenaje de agua en la capa superior del lecho filtrante.
- Medida del caudal del agua efluente por medio de un dispositivo de calibración de medición de caudal.
- Regulación de la velocidad de filtración.
- Ingreso de agua limpia para llenar de forma ascendente el lecho filtrante después de efectuar la limpieza del filtro
- Dispositivo de prevención del agua tratada al tanque de almacenamiento de agua tratada, o al desagüe.
3.1.6. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN FILTRO LENTO
Para la instalación de la planta deben considerarse los siguientes aspectos: - Escoger la zona de mejor acceso, con vías de comunicación que
faciliten su posterior construcción, operación y mantenimiento. - El agua subterránea debe estar ausente o muy profunda.
- La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturales o humanos.
- De preferencia, la topografía de la zona seleccionada debe reunir los desniveles necesarios para que el sistema pueda operar totalmente por GRAVEDAD.
Características Generales Velocidad de filtración (m/h) Caudal (l/s)
Área superficial (m2)
Número de unidades en paralelo Dimensiones por unidad
Largo (m) Ancho (m) Altura total (m)
Lecho filtrante Material
Longitud total (m). Incluye lecho de soporte. Diámetro (mm) 0.15 2.0 48 2 5.7 4.2 1.80 Arena 1.05 Cu = 3.0 d10 = 0.20
14 3.1.7. RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO POR CADA COMPONENTE
DEL FILTRO LENTO Medio filtrante
- Debe estar compuesta de granos de arena duros y redondeados, de preferencia, libres de arcilla y materia orgánica.
- La arena debe lavarse, procediendo también con la eliminación de los granos más finos disminuyendo así el coeficiente de uniformidad y elevando el diámetro promedio de los granos de arena
- No debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio para evitar que se produzca cavitaciones en el medio filtrante.
- porosidad. Lo cual es diseñar con un rango de 1.8 a 2.0 normalmente se usa 1.5, por problemas económicos.
Capa de soporte
- Constituida por gravas con especificaciones similares a las aplicadas al medio filtrante. Las piedras deben ser duras y redondeadas, con un peso específico de lo menos 2.5, libre de arena y limo y materia orgánica. De ser posible, debe lavarse para asegurar su limpieza. No se debe perder más del 5% de su peso.
- Su función es evitar que se pierda el material a través del drenaje y asegurar así una abstracción uniforme del agua filtrada.
- La capa de grava debe diseñarse teniendo en cuenta dos valores limites; el tamaño de los granos de arena en contacto con esta para decidir el diámetro de la grava más fina, y las características del drenaje para seleccionar el tamaño de la grava más gruesa
GRANULOMETRIA DE LA CAPA DE SOPORTE CAPAS DIAMETROS (mm) ALTURA(cm)
Mínimo Máximos
1 0.50 - 2.0 1.50 - 4.0 5 2 2.0 - 2.5 4.0 - 15.0 5 3 5.0 - 20.0 10.0 - 40.0 10
Drenaje
- La recolección del agua filtrada se efectúa mediante el sistema de drenaje, el cual puede estar conformado por drenes, o por ladrillos de construcción
15 - Los tubos de drenaje están compuestos por drenes principales y de
ramificaciones o drenes laterales a partir de la salida de agua filtrada. - Los drenes laterales se unirán al principal mediante tees o cruces, y podrán
ser de concreto, cerámico o PVC.
- Los drenes laterales se instalaran, dejando juntas abiertas de 2cm, o se harán orificios de 2 a 4 mm de diámetro, separados entre .10 a .30 m y dispuestos en la parte inferior de los drenes.
- La separación entre los drenes laterales seria de 1/16 de su longitud o como máximo de 2.5m. con respecto a la pared, se considerara una separación de 1/32 de su longitud o como máximo de 1.25m.
- El dimensionamiento de los drenes se efectuara con la velocidad limite en cualquier punto de estos no sobrepase de .30m/s
Cajas de filtro
- La superficie de la caja está en función de la velocidad de filtración (Vf),del canal (Q),del número de horas de funcionamiento continuo de la unidad (turnos) y del número de unidades (N)
𝐴𝑠 =𝑄 𝑥 𝐶1 𝑁 𝑥 𝑉𝑓
VALORES DEL COEFICIENTE C1
TURNOS C1
1 3
2 1.5
3 1
CONSIDERACIONES ESPECÍFICAS
a) Periodo de diseño: Se recomienda un período de diseño de las instalaciones entre 8 y 12 años de manera que guarde armonía con la dinámica de crecimiento de la población y con el costo de oportunidad de acceso a la financiación del proyecto.
b) Periodo de operación: Las unidades de tratamiento deben ser diseñados para periodos de operación de 24 horas, siendo 2 el número mínimo de unidades en paralelo y así alternarlas cada vez que se requiera realizar mantenimiento. La continuidad en la prestación del servicio evita riesgos de contaminación en la distribución, en almacenamientos inadecuados o en la operación de la planta.
16 c) Caudal de diseño: Las unidades en una planta de tratamiento serán
diseñadas para el caudal máximo diario.
3.1.8. FORMULAS UTILIZADAS EN EL DISEÑO DEL FILTRO LENTO DIMENSIONES DEL FILTRO
Largo del Filtro 𝐵 = √𝐴𝑠 𝑥 𝐾 Ancho del filtro 𝐴 = √𝐴𝑠 / 𝐾
NUMERO DE UNIDADES DEL FILTRO 𝑘 = 2𝑁
𝑁 + 1
- Idealmente, el diámetro efectivo de la arena (d10) debe ser lo suficiente pequeño para asegurar un efluente de buena calidad y para prevenir que la materia orgánica penetre a tal profundidad que no sea posible retirarla mediante el raspado de la superficie. Experimentalmente se ha encontrado un diámetro efectivo es del orden de .15 - .35 mm
- Se recomienda un diámetro efectivo mínimo de .10 mm para tratar aguas claras con alto contenido bacteriológico. para aguas muy turbias, en cambios se recomienda un diámetro de .40 mm
- El espesor del lecho filtrante ideal debe ser determinado en cada caso. Sin embargo existen espesores mínimos para garantizar su funcionamiento que es el orden de .70m y teniendo en cuenta que en 5 años se retirara .50m de arena mediante el raspado sucesivo, se recomienda una altura de 1.2 a 1.4 m.
Se recomienda un coeficiente de uniformidad de (CU) menor de 3, para que los poros sean bastantes regulares que aseguren una buena filtración.
SIENDO:
A = Ancho del filtro en (m) As = Área de filtración (m2) B = Longitud del filtro (m)
C1 = Coeficiente dependiente de los periodos operacionales del filtro. Q = Caudal de diseño (m3/h)
N = Numero de filtro
Vf = Velocidad de filtración (m/h)
17 VELOCIDAD DE FILTRACION
PROCESOS Vf (m/h)
Filtración lenta 0.10 - 0.20 Sedimentación o Pre filtración + filtración
lenta 0.15 - 0.30
sedimentación + Prefiltracion + filtración
lenta 0.30 - 0.50
3.1.9. EJEMPLO DE APLICACIÓN
Calculo de un filtro lento modificado para un caudal de 1.0 l/s o 3.6 m3/h. los análisis de calidad de agua efectuados dan los siguientes resultados: Turbiedad promedio en época de lluvia = 55 UT
Turbiedad máxima (picos de 3 horas) = 80 UT Turbiedad mínima promedio en épocas seca = 12 UT
Análisis granulométrico del banco de arena más cercano arrojó los siguientes resultados:
Tamaño efectivo = 0.35 mm Coeficiente de uniformidad = 2.00
1. Adoptando un número de unidades (N) de 2 y un turno de operación diaria (C1=24/8=3)
La superficie de filtración (As)
𝐴𝑠 =𝑄 𝑥 𝐶1 𝑁 𝑥 𝑉𝑓
Reemplazo valores obtenidos:
𝐴𝑠 =3.6 𝑥 3 2 𝑥 .10= 54 𝑚 2 2. Dimensionamiento de la sección: Si N = 2, K será igual a: 𝐾 = 2𝑁 𝑁 + 1= 2 𝑥 2 2 + 1= 1.33 El largo (B) de la unidad será igual a:
𝑩 = √𝑨𝒔 𝒙 𝑲 Luego:
𝐵 = √54 𝑥 (1.33) = 8.47𝑚 El largo (A) de la unidad será igual a:
18 𝑨 = √𝑨𝒔 /𝑲
Luego:
𝐴 = √54 /(1.33) = 6.37𝑚
La capa soporte de la grava la seleccionamos del cuadro, para las características de arena disponible d10=0.35 mm y CU = 2.0 la grava seleccionada es la siguiente:
GRANULOMETRIA DE LA CAPA DE SOPORTE CAPAS DIAMETROS (mm) ALTURA(cm)
Mínimo Máximos 1 0.50 - 2.0 1.50 - 4.0 5 2 2.0 - 2.5 4.0 - 15.0 5 3 5.0 - 20.0 10.0 - 40.0 10
Las dimensiones se han seleccionado del cuadro 4.5 y aparecen estandarizadas en el diseño de las figuras: 4.9, 4.10 ,4.11 y 4.12
CRITERIOS DE DISEÑO DE FILTRO LENTO PARAMETROS VALORES SIMBOLOS Velocidad de Filtración 0.10 - 0.20 Vf Arena Máxima de la Unidad 10 - 100 QxC1/Vf Número mínimo de unidades 2 N borde libre 0.20 - 0.30 H1 Capa de agua 1.0 - 1.5 H2 Altura del lecho Filtrante 1.20 - 1.40 H3 Granulometría del lecho 0.15 - 0.35 d10
1.80 - 2.0
Altura de capa de soporte 0.20 - 0.30 H4 Granulometría de la Grava Altura del drenaje 0.30 - 0.50 H5
19 PLANTA
CORTE B-B
DETALLE DE CAMARA DE INGRESO Y ALIVIO
20 3.2. FILTRACION RAPIDA
3.2.1. CONCEPTO
Para la filtración rápida comúnmente se usa la arena como el medio del filtro pero el proceso es bastante diferente a la filtración lenta en arena. Esto es debido a que se usa arena más gruesa con un tamaño efectivo de grano en la escala de 0.4-1.2 mm y el ritmo de filtración es más elevado, generalmente entre 5 y 15 m3/m2/hora (120-360 m3/m2/día). Debido a la arena gruesa usada, los poros del lecho del filtro serán relativamente grandes y las impurezas contenidas en el agua cruda penetraran al fondo en el lecho de filtro. Por esto, la capacidad del lecho del filtro para almacenar impurezas depositadas, es usada en forma mucha más efectiva y se puede tratar
21 hasta agua de rio muy turbia con la filtración rápida. Para limpiar un lecho de filtro rápido, no es suficiente raspara la capa superior. La limpieza de los filtros rápidos se realiza mediante el lavado por corriente de agua limpia. Eso se hace dirigiendo un flujo elevado de agua a través del lecho del filtro desde donde se expande y se arrastra.
3.2.2. APLICACIONES DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA:
Hay varias aplicaciones diferentes de la filtración rápida en el tratamiento de agua para abastecimientos de agua de bebida. En el tratamiento del agua subterránea, se usa la filtración rápida para remover el hierro y el manganeso. Para ayudar al proceso de filtración, frecuentemente se provee la aeración como pre tratamiento para formar compuestos insolubles de hierro y manganeso.
22 Para agua de turbiedad baja como la que se halla frecuentemente en lagos y algunas veces en rio, la filtración rápida debe ser capaz de producir agua clara, la cual, sin embargo, puede contener aun bacterias patógenas y para obtener agua bacteriológicamente segura.
En el tratamiento de agua de rio con turbiedad elevada, se puede usar la filtración rápida como pre tratamiento para reducir la carga en los filtros lentos de arena siguientes o se le puede aplicar para el tratamiento de agua que ha sido clarificada mediante coagulación, floculación y sedimentación. En tales casos se requiere nuevamente una clorinación final.
FILTRO RÁPIDO DE AGUA PRETRATADA (AERADA)
FILTRO RÁPIDA SEGUIDA DE FILTRACIÓN LENTA EN ARENA )
23 3.2.3. TIPOS DE FILTROS RAPIDOS
Los filtros rápidos se construyen en su mayoría al descubierto pasando el agua al lecho del filtro mediante gravedad.
Para ciertas condiciones de operación, son más apropiados otros filtros rápidos que no sean del tipo de gravedad. Los más importantes son: filtros de presión, filtros de flujo ascendente y filtros de medios múltiples.
3.2.3.1. FILTROS DE PRESION
Son de construcción similar a los filtros del tipo gravedad, pero el lecho de filtro y el fondo del filtro están encerrados en un recipiente hermético de presión hecho de acero. Aquí, la fuerza de conducción para el proceso de filtración es la presión del agua aplicada en el lecho de filtro, la cual puede ser tan elevada que se puede alcanzar casi cualquier longitud deseada de la carrera del filtro. Los filtros de presión están disponibles comercialmente como unidades completas. No son tan fáciles de instalar, operar y mantener. Por esta razón no son muy adecuados para aplicarlos en plantas pequeñas de tratamiento en países en desarrollo.
FILTRACIÓN RÁPIDA DESPUÉS DE LA COAGULACIÓN, FLOCULACIÓN Y SEDIMENTACIÓN
24 3.2.3.2. FILTRO DE FLUJO ASCENDENTE
Sirven para un proceso de filtración de grueso a fino. La capa gruesa del fondo del lecho de filtro criba la mayor parte de las impurezas suspendidas, incluso del agua cruda turbia, sin ningún aumento grande de la resistencia del lecho de filtro, debido a los poros grandes. Las capas finas sobrepuestas tienen poros más pequeños pero aquí también la resistencia del filtro aumentara solo lentamente ya que no quedan muchas impurezas que filtrar.
En los filtros de flujo ascendente se usa la arena como el único medio de filtro. Frecuentemente, se les usa para el pre tratamiento de agua que es purificada nuevamente mediante filtros rápidos del tipo de gravedad o mediante filtros lentos de arena. En tales casos, los filtros de flujo ascendente pueden dar excelentes resultados y pueden ser muy adecuados para usarlos en plantas pequeñas de tratamiento.
Una desventaja es que la resistencia permisible en un filtro de flujo ascendente no es mayor que el peso sumergido del lecho de filtro. Siendo la arena el material de filtro, la carga disponible de resistencia es casi igual al espesor del lecho. Así, para agua de rio muy turbia, la longitud de la carrera del filtro y la tasa disponible de filtración están muy limitadas.
3.2.3.3. FILTRO DE MEDIOS MULTIPLES
Son del tipo gravedad, filtros de flujo descendente, cuyo lecho de filtro está compuesto de varios materiales diferentes, los cuales se colocan de grueso a fino en la dirección del flujo. Para filtros rápidos pequeños, es común usar solo dos materiales en combinación: 0.3-0.5 m de arena con un tamaño efectivo de
FILTROS DE PRESIÓN
25 0.4-0.7 mm como capa inferior. Cubierta por 0.5-0.7 m de antracita, piedra pómez o corteza molidas de coco con un tamaño efectivo de 1.0-1.6 mm. Como tratamiento final, los filtros de capas múltiples pueden proporcionar resultados excelentes y, cuando se dispone localmente de materiales adecuados, bien vale la pena considerar su aplicación en plantas pequeñas de tratamiento.
3.2.4. ASPECTOS TECNICOS
La remoción general de impurezas del agua por filtración rápida, se lleva a cabo mediante una combinación de varios procesos diferentes. Los más importantes son: colado, sedimentación, absorción y procesos bacteriológicos y bioquímicos. Estos son los mismos procesos ya descritos para la filtración lenta en arena. Sin embargo, en la filtración rápida el material del lecho del filtro es mucho más grueso y el ritmo de filtración es mucho más elevado (hasta 50 veces mayor que en la filtración lenta en arena). Estos factores alteran completamente la importancia relativa de los varios procesos de purificación.
El colado de impurezas en un filtro rápido no es importante debido a los poros relativamente grandes en el lecho del filtro. La sedimentación no será muy efectiva debido a las elevadas tasas de filtración usadas. Así, se retendrá muchas menos impurezas mediante el colado y la sedimentación que en el filtro de lento de arena. Especialmente las capas superiores del lecho del filtro serán muchos menos efectivas y habrá una profunda penetración de impurezas en todo el lecho del filtro rápido.
En efecto más importante de purificación en la filtración rápida es, con mucho, la absorción de impurezas con carga eléctrica hacia los granos del lecho del filtro con una carga eléctrica opuesta, en un filtro rápido las cargas estáticas naturales del material del lecho del filtro están complementadas por cargas electrocinéticas
26 producidas por el flujo elevado de agua. Las partículas cargadas (iones) son arrastradas fuera de los granos del lecho de filtro con el resultado de que los granos quedan con una carga (opuesta). El efecto electrocinético refuerza grandemente la acción de absorción.
En un filtro lento de arena el agua permanece varias horas en el lecho de filtro, pero con filtración rápida el agua pasa solo en unos cuantos minutos. Frecuentemente se remueve los atoros orgánicos acumulados en un filtro rápido cuando se limpia el filtro mediante el lavado por corriente de agua limpia. Hay muy poco tiempo y oportunidad de que se desarrolle cualquier biodegradación de materia orgánica y de que se produzca la muerte de bacterias patógenas y virus. La degradación limitada de materia orgánica no necesita ser una desventaja seria ya que los atoros acumulados serán lavados del filtro durante el lavado por corriente de agua limpia. Por lo general, la pobre actividad bacteriológica y bioquímica de un filtro rápido será insuficiente para producir agua bacteriológicamente segura. De aquí que será necesario un nuevo tratamiento, tal como la filtración lenta en arena o clorinación, para producir agua que sea apta para la bebida y para propósitos domésticos. 3.2.5. OPERACIÓN Y CONTROL DEL FILTRO RAPIDO
3.2.5.1. OPERACIÓN
En la figura 8 se muestra esquemáticamente la operación de un filtro rápido (tipo gravedad). Durante la filtración el agua ingresa al filtro a través de la válvula A desciende hacia el lecho de filtro, fluye a través de él, pasa el sistema de desagüe inferior (fondo del filtro) y fluye el exterior a través de la válvula B. Debido al atoro gradual de los poros, la resistencia del lecho de filtro contra el flujo descendente del agua aumentara gradualmente. Esto reducirá el ritmo de filtración que esté compensado por un nivel creciente de agua cruda sobre el lecho del filtro. Frecuentemente, los filtros rápidos son diseñados para operar con un nivel constante de agua cruda, el cual requiere que el filtro este equipado con un dispositivo de control de ritmo en la línea del afluente o del efluente. Estos controladores del ritmo del filtro proporcionan una resistencia ajustable al flujo del agua. Se abren gradual y automáticamente para compensar la creciente resistencia del lecho del filtro y así, mantener constantes las condiciones de operación del filtro rápido.
27 Cuando después de cierto tiempo de operación, se abre completamente el controlador del ritmo del filtro, ya no se podrá compensar un nuevo atoro del lecho del filtro y el ritmo de filtración disminuirá. Entonces se retira de servicio el filtro para lavarlo por corriente de agua limpia. Para esto, se cierra las válvulas A y B y se abre las válvulas D para drenar el agua cruda restante fuera del filtro. Unos cuantos minutos después se abre la válvula E para admitir el agua de lavado. La fuerza de lavado por corriente de agua debe ser lo suficientemente elevada para expandir el lecho de filtro de tal forma que se pueda arrastrar los granos de este y que los atoros acumulados sean retirados con el agua de lavado. El agua de lavado es recolectada en los pasantes desde donde se le drena hacia el desagüe. Cuando se completa el lavado por corriente de agua limpia, se cierra las válvulas E y D y se vuelven a abrir la válvula A, permitiendo que el agua cruda empiece un nuevo recorrido del filtro. Para el material fino del lecho de filtro, la acción de arrastre producida por el agua de lavado durante el lavado por corriente puede a la larga no será suficiente para mantener limpio el lecho de filtro. Entonces es deseable un arrastre adicional usando aire y agua en combinación para el lavado por corriente de agua, sin embargo, esto es mucho más complejo que lavar solo con agua y por lo general, no es recomendable un lavado con aire y agua para plantas pequeñas de tratamiento.
3.2.5.2. CONTROL
Hay varios tipos de controladores de ritmo de filtración: dispositivo de control de ritmo de ingreso (igual distribución o “división de flujo”) y dispositivos de control
28 del ritmo de salida (válvulas operadoras a nivel, vertederos de derrame y sifones). Básicamente, los arreglos de control de filtro se pueden dividir en tres grupos:
1.
Cada filtro tiene un controlador individual de ritmo que mantiene la producción de agua filtrada en la escala constante deseada.2.
El flujo total de agua a través de la planta del filtro es controlado mediante el ritmo en el cual se extrae el agua filtrada.3.
Igual que en el 2, pero las unidades del filtro operan en ritmos individuales descendentes.Los controladores individuales de ritmo permiten a cada unidad de filtro operar a su velocidad óptima de filtración (figura 9). Sin embargo, esta ventaja no es muy grande y esos controladores de ritmo por lo general son muy caros y no son fáciles de mantener.
Los arreglos de control de filtro que usan una distribución uniforme del agua cruda (“división de flujo”) sobre las unidades de filtro o para una extracción uniforme del agua filtrada, son usados ampliamente en Europa y Norte de América. Se puede usar varios métodos. Probablemente el que se muestra en la figura 10b es el más simple ya que no tiene partes movibles. En este tipo, el agua cruda ingresa el filtro sobre un vertedero. Para todos los filtros la cresta del vertedero se encuentra al mismo nivel. Al conducto de agua cruda que alimenta a las unidades de filtro se le da un tamaño considerable de tal forma que el agua fluirá sin ninguna pérdida apreciable de carga. El nivel de agua en él será prácticamente el mismo en cada vertedero de entrada. Así, el ritmo de derrame en cada vertedero será distribuido en forma equitativa.
Se puede controlar el ritmo de filtración conjuntamente para todas las unidades de filtro mediante el ritmo de alimentación del agua cruda. Se le puede adaptar
29 fácilmente para satisfacer la demanda de agua filtrada. En este arreglo habrá variaciones considerables del nivel de agua cruda en los filtros, lo cual puede ser objetable. Aquí, se usa una válvula controlada con flotador para mantener constante el nivel del agua cruda en cada filtro.
Frecuentemente, se usa los filtros rápidos para tratar agua que ha sido pre tratada mediante coagulación, floculación y sedimentación; entonces, sirven para retener los flóculos procedentes de los tanques de sedimentación. Se debe prevenir cualquier rotura de estos flóculos y los vertederos de entrada mencionados anteriormente no son adecuados en estos casos. Cada filtro está equipado con una caja flotante en la cual se mantiene constante el nivel de agua, en el mismo nivel en todas las unidades de filtro, con una válvula controlada con flotador. El canal efluente debe tener un tamaño considerable para asegurar que el nivel del agua será prácticamente el mismo en cada compuerta de efluente del filtro. El ritmo general de producción de todos los filtros conjuntamente puede ser controlado ahora mediante el ritmo en el cual se extrae el agua filtrada.
30 3.2.6. FILTRACION A RITMO ASCENDENTE
Cuando no se usa controladores de ritmo de filtración, se realizara la filtración en un ritmo descendente. El diseño de filtros a ritmo descendente es mucho más simple que el filtro de ritmo controlado. Se puede usar leños simples de detención o compuertas para el control del filtro.
Todos los filtros están en conexión directa con los conductos de agua cruda y de agua filtrada. Consecuentemente, todos tienen el mismo nivel de agua cruda y el mismo nivel de agua filtrada, de tal forma que todos los filtros operaran bajo la misma carga. Sin embargo, el ritmo de filtración para las varias unidades de filtro será diferente: será más elevado en el filtro recién lavado mediante retro lavado y más bajo en el que tiene un mayor movimiento en la jornada corriente del filtro. Para todos los filtros en forma conjunta, la producción estará determinada por el abastecimiento de agua cruda, el cual debe ser suficientemente elevado para satisfacer la demanda de agua filtrada. Durante la filtración, los lechos de filtros se atoran gradualmente y el nivel de agua cruda en todos los filtros se eleva debido de filtro que ha estado en operación por el periodo de tiempo más largo probablemente alcanzara primero el nivel máximo permisible de agua cruda y necesitara limpieza mediante retro lavado. Después de su limpieza, este filtro tendrá la resistencia más baja contra el flujo, de tal forma que una porción considerable del agua cruda abastecida pasara a este filtro. La carga en los otros filtros será reducida temporalmente. Esas unidades mostraran una baja en el nivel de agua cruda. Cuando en un segundo filtro se alcanzara el nivel máximo de agua cruda, este será lavado mediante retro lavado y así sucesivamente.
Si no se toma medidas especiales, la escala de filtración en un filtro de ritmo descendente, justo después de la limpieza, puede ser muy elevada, hasta 25
31 m3/m2/hora, lo cual es mucho más elevado que la tasa promedio de 5-7 m3/m2/hora. Cuando es necesario limitar el ritmo de filtración con el fin de salvaguardar la calidad del agua filtrada, se debe colocar un dispositivo extra de resistencia de flujo (por ejemplo, un orifico) en la línea de influente.
Para los filtros de presión, la filtración de ritmo descendente es una práctica común. Para los filtros rápidos de tipo gravedad, su aplicación aumenta gradualmente en Gran Bretaña, en América Latina y también, en una escala limitada, en Norte de América. Debido a su simplicidad, la filtración de ritmo descendente está siendo considerada para plantas pequeñas de tratamiento en países en desarrollo.
3.2.7. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO
Se necesita seleccionar cuatro parámetros para el diseño de un filtro rápido. El tamaño de grano del material de filtro, el espesor del lecho de filtro, la profundidad del agua sobrenadante y el ritmo de filtración. En la medida de lo posible, estos factores de diseño deben basarse en la experiencia obtenida en las plantas existentes que tratan la misma agua cruda o una comparable. Cuando no existe tal experiencia, el diseño debe basarse en los resultados obtenidos en una planta piloto que opere filtros experimentales.
3.2.8. ARREGLOS PARA EL RETRO LAVADO:
Un filtro rápido se limpia mediante lavado con corriente de agua, esto es, dirigiéndose un flujo de agua limpia hacia arriba a través del lecho de filtro por un periodo de unos cuantos minutos. Se puede usar el agua filtrada acumulada mediante bombeo en un tanque elevado, o directamente el efluente de las otras unidades de filtro (en operación) de la planta de filtración (“arreglos de auto lavado”). La velocidad del flujo ascendente de agua debe ser lo suficientemente elevada para producir una expansión de lecho de filtro de tal forma que se pueda aflojar y retirar con el agua de lavado los atoros acumulados.
32 En el cuadro 1 se presenta una lista de las escalas típicas de retro lavado que proporcionan una expansión de aproximadamente 20 por ciento para un lecho de filtro de arena (peso específico: 2.65 g/cm3).
Cuadro 1:
Escalas típicas de retro lavado
dmm t
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 Escala de retro lavado (m3/m2/hora)
10 °C 12 17 22 28 34 40 47 54 62
20 °C 14 20 26 33 40 48 56 64 73
30 °C 16 23 30 38 47 56 65 75 86
d = tamaño promedio de grano de la arena del filtro (mm) t = temperatura de agua de retro lavado (°C)
v = tasa de retro lavado (m3/m2/hora)
Si se abastece el agua de lavado con bombas, normalmente se usa un numero de tres (en instalaciones muy pequeñas, dos) de las cuales una sirve como unidad de reserva. Para ritmos elevados de retro lavado y áreas más grandes de lecho de filtro, estas bombas necesitan ser de una gran capacidad por lo que su instalación y operación son bastante caras. Entonces, es preferible un reservorio de agua de lavado tal como el que se muestra en la figura 13, las bombas pequeñas serán adecuadas para llegar el reservorio durante los intervalos entre los lavados sucesivos. Por lo general, el reservorio debe tener una capacidad entre 3 y 6 m3 por m2 de área del lecho de filtro y se le debe colocar de 4 a 6 metros sobre el nivel del agua en el filtro.
Usualmente se provee tres bombas para bombear agua hacia el tanque de agua de lavado; una de estas es la unidad de reserva. La capacidad total de las dos bombas en operación debe ser de aproximadamente 10-20% de la escala de abastecimiento del agua de lavado. Un tanque especial de agua de lavado o un reservorio no son necesarios cuando el agua de lavado requerida es tomada del reservorio de agua filtrada. Sin embargo, esto puede causar fluctuaciones no deseadas de la presión en el sistema de distribución debido al abastecimiento interrumpido de agua.
33 Una solución más simple consiste en aumentar la profundidad del agua que permanece sobre el lecho del filtro y limitar la resistencia máxima del filtro .Entonces el agua filtrada estará disponible en una carga de 1.5 a 2 metros sobre el lecho de filtro, lo cual debe ser suficiente. Las unidades en operación de la planta de filtración deben abastecer agua suficiente para el ritmo requerido de retro lavado. Por esto, una planta de filtración rápida que use este arreglo de retro lavado debería tener por lo menos seis unidades de filtro.
El agua de lavado es admitida en la parte de abajo del lecho de filtro a través del sistema de desagüe inferior (“fondo del filtro”). Para dividir uniformemente el agua el lavado sobre toda el área del lecho de filtro, el sistema de desagüe inferior debe proveer una resistencia suficiente contra el paso del agua de lavado (generalmente 0.6-1.0 metros de carga de agua).
ARREGLO DE TANQUE DE AGUA DE LAVADO RÁPIDO
34 Un sistema de desagüe inferior usado frecuentemente consiste en laterales colocados con una separación aproximada de 0.2 m y conectados a un tubo múltiple (Figura 14).Los laterales tienen perforaciones en la parte de abajo, con un diámetro de aproximadamente 10 mm. Por lo general, se usa tuberías de cemento –asbesto y plástico rígido en este sistema de desagüe inferior.
Para evitar que el material de filtro ingrese a los laterales a través de las perforaciones, el lecho de filtro debe ser sostenido por una capa de material grueso (por ejemplo grava) que no sea desalojada por el agua del lavado impulsada desde las perforaciones de desagüe inferior. Por ejemplo, la arena de filtro de 0.7-1.0 mm de tamaño efectivo requeriría 4 capas de grava; desde la parte superior hasta el fondo; 0.15m X 2-2.8 mm, 0.1m X 5.6-8 mm, 0.1m X 16-23mm y 0.2m X 38-54mm; el paquete total de grava tendrá 0.55m de profundidad.
35 Después de pasar por el lecho de filtro, el agua de lavado que transporta las impurezas lavadas es colectada y drenada al exterior mediante las canaletas de agua de lavado. La distancia que el agua de lavado tendrá que viajar en forma horizontal hacia la pileta debe estar limitada a aproximadamente 1.5-2.5m. Se coloca las piletas con su parte superior a 0.5-0.6m sobre el lecho de arena no expandido y su área transversal dependerá de que en el extremo de la pileta, la profundidad del agua sea la profundidad de descarga libre (“Critica”).
El cuadro 2 proporciona los ritmos de flujo de agua de lavado (Q) para combinaciones de flujo profundo de agua de lavado (H) y ancho de la canaleta de agua de lavado (b).
Cuadro 2:
Capacidad de las canaletas para llevar agua de lavado (litros/seg) CONDICION DE FLUJO EN CANALETAS DE AGUA
36 Se pueden colocar las canaletas de agua de lavado de varias maneras.
Particularmente cuando se usa arena fina, con un tamaño de grano inferior a aproximadamente 0.8mm, la fuerza de arrastre del agua de lavado ascendente puede ser inadecuada para mantener limpios los granos del filtro en la jornada larga. Después de cierto tiempo pueden abrirse con una capa pegajosa de materia orgánica. Esto puede causar problemas tales como bolas de lodo y rajaduras en el filtro.
Estas se pueden prevenir proveyendo un arrastre adicional a través de lavado por aire. La limpieza del filtro se inicia ahora con un lavado por corriente de aire en un ritmo de 30-50m/hora, por lo general combinado con un lavado con agua en un ritmo de 10-15m/hora. Esto debe remover los recubrimientos de los granos de filtro
ARREGLOS TÍPICOS DE CANALETAS DE AGUA DE LAVADO
37 y el siguiente lavado con agua retira el material aflojado. Para el retro lavado con corriente de aire es necesario un sistema separado de tuberías. Se debe remarcar que el retro lavado por corriente de aire y agua es generalmente un arreglo demasiado complejo para plantas pequeñas de tratamiento de agua.
El retro lavado se inicia permitiendo que el agua de la cámara 1 fluya hacia la cámara 2. El aire de la cámara 2 se presuriza y es admitido para el arrastre del filtro. Luego se usa el agua colectada en la cámara 2 para el retro lavado del filtro. Disposición de planta de filtración rápida
Una planta de filtración rápida consiste en un número de unidades de filtro (mínimo 2) cada una con un área A. Cuando un filtro está fuera de funcionamiento por limpieza, las unidades restantes deben ser capaces de proveer la capacidad requerida Q en el ritmo seleccionado de filtración r.
Esto se expresa en la fórmula:
𝑸 = (𝒏 − 𝟏)𝒙𝑨𝒙𝒏
Para plantas pequeñas hay poca alternativa en lo que respecta a las combinaciones adecuadas n y A, pero para plantas mayores, la alternativa debe ser tal que se minimice el costo de construcción. Como un paso tentativo de diseño, el área del lecho de la unidad de filtro (A) expresada en metros cuadrados puede ser tomada como aproximadamente 3.5 veces el número de unidades de filtro n.
Para economizar en la construcción y operación, se debe colocar las unidades de filtro en un grupo compacto con las líneas de afluente y efluente y cualquier línea de alimentación de sustancias químicas lo más cerca posible.
38 La colocación de las diferentes unidades de una planta de filtración rápida es un tema que garantiza la más minuciosa atención del ingeniero de diseño. Se debe hacer cierta concesión para una futura expansión de la planta.
ARREGLO PARA RETROLAVADO POR CORRIENTE DE AGUA Y AIRE.
39 Muchos diseños ubican el edificio de servicio en el centro mientras que en los extremos, varias unidades de filtro están dispuestas en uno o dos lados del corredor de dos niveles, siendo el nivel superior el piso de operación y el nivel más bajo la galería de tuberías.
3.2.9. CONSTRUCCION
Como se explicó en las secciones anteriores, un filtro rápido consiste en un tanque que contiene el sistema de desagüe inferior, el lecho de filtro y el agua sobrenadante. Mayormente el tanque de filtro es hecho de cemento reforzado, rectangular y con paredes verticales. El diseño de la estructura de concreto sigue las reglas comunes con la dificultad agregada que las estructuras que retienen el agua deben ser herméticas. Se debe proveer una cubierta amplia de concreto para proteger las barras de refuerzo contra la corrosión.
Se debe colocar todas las barras lo suficientemente distantes para permitir que el concreto las rodee completamente. Se debe mantener al mínimo las tensiones de carga. Cualquier tensión que se desarrolle en el concreto debido al secado, contracción, cambios de temperatura y diferencias en la subsidencia del suelo, debe estar limitada en lo posible, subdividiendo el edificio en un número de secciones independientes conectadas con uniones herméticas de expansión. La mezcla de concreto del contenido de cemento y la colocación de la mezcla debe buscar, en la medida de lo posible, una completa impermeabilidad y la menor contracción por secado durante el endurecimiento. Nunca se debe usar un acabado de yeso. Se debe obtener un buen acabado usando contraventanas suaves, por ejemplo, hechas de madera laminada. Para evitar el corte de circuito del flujo de agua a lo largo de las paredes de la caja de filtro, la contraventana inferior opuesta al lecho de filtro debe ser hecha de planchas no planas colocadas horizontalmente. Cuando sea posible, se debe colocar los filtros sobre la napa más elevada de agua subterránea, si fuera necesario en terreno elevado.
En el pasado se desarrolló numerosos sistemas de desagüe inferior (popularmente conocidos como “fondos de filtro”) pero desafortunadamente muchos son muy caros o no pueden asegurar una distribución uniforme del agua de lavado en todo el lado inferior del lecho de filtro. El sistema simple descrito anteriormente, que usa laterales perforados, puede construirse de tal forma que se obtenga una buena distribución del agua de lavado. Tiene la ventaja adicional de que se le puede hacer
40 de materiales localmente disponibles usando conocimientos locales. Otra buena solución es el sistema de fondo falso y colador de desagüe inferior. Consiste en losas de concreto prefabricado de aproximadamente 0.6X0.6 m2, colocadas sobre y ancladas a pequeñas columnas de concreto.
Las losas están provistas de huecos, aproximadamente 60 por metro cuadrado, en los cuales se coloca los coladores. Las hendiduras en estos coladores son estrechas, aproximadamente de 0.5mm, ofreciendo una resistencia suficiente contra el paso del agua de lavado para una distribución pareja del agua. Este sistema de desagüe inferior permite que se coloque la arena del filtro directamente sobre el fondo del filtro con los coladores y no es necesaria ninguna capa complementaria de grava.
SISTEMA DE DESAGÜE INFERIOR CON FONDO FALSO Y COLADORES
41 El trabajo de un filtro rápido lo realiza el lecho de filtro y se debe prestar una atención considerable a su composición. La arena como material de filtro ha demostrado dar resultados excelentes, es barata y por lo general disponible; y por estas razones, ampliamente usada. Para los lechos de filtro simples-medios no hay razón para usar otros materiales de filtro, excepto en casos muy especiales. Para evitar una clasificación hidráulica durante el retro lavado, lo que llevaría a los granos finos a la parte superior y a los granos gruesos al fondo del lecho de filtro, se debe usar arena de filtro lo más uniforme posible en tamaño. Debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a 1.7, preferiblemente tan bajo como 1.3. Los requerimientos para la graduación de la arena de filtro son dados mejor como porcentajes máximos y mínimos de material que pasa por varias cribas de mallas de tamaño estándar. Para una especificación gráfica, se puede trazar un diagrama como en la figura 23.
3.2.10. FILTRACIÓN RÁPIDA APLICADA A PEQUEÑAS COMUNIDADES
Debido a su construcción y diseño complejo y a la necesidad de operación explícita, los filtros rápidos no son muy adecuados para su aplicación en plantas de tratamiento de agua a escala de pequeñas comunidades. Esto es especialmente cierto para su uso como filtros finales en el tratamiento de agua turbia de río. Entonces, la seguridad bacteriológica del agua filtrada tiene que ser asegurada mediante la pos clorinación con todas sus dificultadas asociadas. Sería mejor usar los filtros lentos de arena que ofrecen un filtrado bacteriológicamente seguro, pero estos pueden sufrir de atoro rápido causado por la turbiedad presente en el agua cruda.
ESPECIFICACION DE LA ARENA DE FILTRO PARA EL PRETRATAMIENTO DEL AGUA DEL RIO
42 Se puede remover la materia suspendida del agua cruda a través de varios procesos tales como: almacenamiento, coagulación y floculación y sedimentación. Sin embargo, sólo los filtros rápidos son capaces de producir en forma constante agua clara con una turbiedad inferior a 5 UTF. Esto asegurará la operación fluida de cualquier filtro lento siguiente.
Debe haber pocas objeciones contra una aplicación tal de los filtros rápidos. El uso de la filtración rápida para la remoción de hierro y manganeso del agua subterránea también presenta pocos problemas, ya que el riesgo para la salud de la posible contaminación del agua tratada será pequeño .Suponiendo un uso de agua de 40 litros/persona/día, la Debe haber pocas objeciones contra una aplicación tal de los filtros rápidos. El uso de la filtración rápida para la remoción de hierro y manganeso del agua subterránea también presenta pocos problemas, ya que el riesgo para la salud de la posible contaminación del agua tratada será pequeño .Suponiendo un uso de agua de 40 litros/persona/día, la capacidad requerida de filtración de agua para 10000 personas sería de 400 m3/día o 40 m3/hora para un período diario de operación de 10 horas. Con una tasa de filtración de 5m/hora, esto requiere un área de lecho de filtro de 8 m2, la cual se puede proveer en tres filtros circulares de 2m de diámetro cada uno (un filtro como reserva).Probablemente sería mejor que el sistema de desagüe inferior estuviera hecho de laterales perforados cubiertos con capas graduadas de grava, piedras rotas ladrillos duros cincelados al tamaño deseado. Cuando se dispone de arena gruesa se le debe graduar usando tamices adecuados. Los límites de graduación serían 0.8mm – 1.2mm para los pre filtros; 1.0mm-1.5mm para los filtros de remoción del hierro y manganeso. Para los pre filtros del espesor del lecho de arena se debe tomar en 1.0m y para los filtros de remoción del hierro y manganeso en 1.5m. En el caso que no se puede obtener la arena, se pude usar materiales similares, tales como piedras quebradas, ladrillos, carbonato de calcio cristalino, dolomita, etc. Estos deben ser graduados a un tamaño aproximado 40 por ciento más grande que los tamaños mencionados anteriormente. En algunas instancias, las cáscaras quemadas de arroz y las cortezas quebradas de coco han proporcionado resultados aceptables. Antes de habilitar el filtro se le debe lavar por corriente de agua durante aproximadamente media hora para limpiar el material de filtración. Se puede fijar la profundidad del agua sobrenadante en entre 1.5-2m. Entonces la caja de filtro tendrá una profundidad total de 3.5-4m. La mayor dificultad encontrada en la filtración rápida a escala de pequeñas comunidades es el proceso de retro lavado. No es económico usar una bomba de agua de lavado. En el ejemplo presentado anteriormente, se necesitaría una capacidad de 100-200m3/hora, en duplicado para considerar fallas
43 mecánicas. Comparada con la capacidad de planta de 40 m3/hora, pero se debe tener en cuenta los costos del tanque. Para poblados con edificios bajos, la presión en el sistema de distribución, por lo general, no necesita ser mayor a 6m. En estos, una buena solución será usar un reservorio elevado de servicio para el retro lavado de los filtros. No será necesaria ninguna bomba separada.
El agua cruda ingresa al filtro a través de la válvula A y cae en canaleta de agua de lavado para dispersar la energía de flujo. Las tuberías ramales en las cuales se coloca la válvula A, tienen un diámetro pequeño que proporciona suficiente resistencia de flujo (por ejemplo 0.5m de la carga) para asegurar una distribución pareja del agua cruda sobre las unidades individuales de filtro. El agua filtrada es descargada a través de la válvula D y pasa sobre un vertedero colocado en la cámara de derrame. La parte superior del vertedero es colocada tan alto que el nivel más bajo de agua cruda en el tanque de filtro estará por lo menos 0.2m sobre el lecho de filtro. Debido al atoro, el nivel del agua sobrenadante se elevará hasta alcanzar el nivel de presión del agua en la tubería de abastecimiento; ya no ingresará más agua al filtro. Entonces, se debe limpiar el filtro alimentando el agua de lavado a través de la válvula C y descargándola a través de la válvula B. El agua sucia de lavado debe ser clarificada mediante sedimentación después de lo cual se le puede descargar de nuevo hacia el río a cierta distancia aguas abajo del lugar de captación del agua cruda.
3.2.11. FILTRACION GRUESA
Algunas veces puede ser adecuado un tratamiento más limitado que la filtración rápida usando un lecho de arena para el tratamiento del agua cruda. Esto se puede obtener usando grava o fibras de plantas como material de filtro. En el filtro de flujo ascendente de la figura se usará tres capas que tengan tamaños de grano de 10-15mm; 7-10mm y 4-7mm desde el fondo hacia arriba y con sistema simple de desagüe inferior. Este filtro
DISTRIBUCION GENERAL DE UNA PLANTA DE FILTRACION RAPIDA
44 grueso (devastador) tendrá poros grandes que no están expuestos al atoro rápido. Se puede usar una tasa elevada de filtración hasta de 20m/hora. Los poros grandes también permiten la limpieza a ritmo relativamente bajo de retro lavado, ya que no se necesita ninguna expansión del lecho de filtro. El retro lavado de los filtros gruesos toma un tiempo relativamente largo, aproximadamente 20-30 minutos.
Otra posibilidad es el uso de filtros horizontales. Estos tienen una profundidad de 1-2m subdivididos en tres zonas, cada una aproximadamente 5m de largo y compuestas de grava con un tamaño de 20-30mm, 15-20mm y 10-15mm. La tasa de flujo horizontal del agua, calculada sobre toda la profundidad, será de 0.5-1.0m/hora.
Esto representa a una carga muy baja de superficie del filtro, de sólo 0.03-0.04m/hora. Se requerirá un área más grande, pero la ventaja es que el atoro del filtro se realizara muy lentamente de tal forma que se necesitará la limpieza sólo después de un período de años. Esta limpieza se realiza excavando y lavando el material de filtro después de lo cual se le vuelva a colocar en su sitio.
Se ha usado fibras de coco como material de filtro en una unidad experimental similar a un filtro de arena. El lecho de filtro tiene un espesor de sólo 0.3-0.5m y la profundidad del agua sobrenadante aproximadamente 1m. Se opera el filtro a tasas de 0.5-1.0m/hora, la cual da una longitud de jornada del filtro de varias semanas. Para limpiar el filtro primero se le drena, después de lo cual se saca y se desecha las fibras de coco. Se vuelve a empaquetar el filtro con material nuevo que previamente ha sido remojado en agua por 24 horas para remover la mayor cantidad posible de materia orgánica. Los filtros de fibra de coco parecen ser capaces de soportar fluctuaciones considerables en su carga Se ha usado fibras de coco como material de filtro en una unidad experimental similar a un filtro de arena. El lecho de filtro tiene un espesor de sólo 0.3-0.5m y la profundidad del agua sobrenadante aproximadamente 1m. Se opera el filtro a tasas de 0.5-1.0m/hora, la cual da una longitud de jornada del filtro de varias semanas. Para limpiar el filtro primero se le
45 drena, después de lo cual se saca y se desecha las fibras de coco. Se vuelve a empaquetar el filtro con material nuevo que previamente ha sido remojado en agua por 24 horas para remover la mayor cantidad posible de materia orgánica. Los filtros de fibra de coco parecen ser capaces de soportar fluctuaciones considerables en su carga mientras producen un efluente de calidad casi constante. Los experimentos muestran una conducta remarcablemente constante de los filtros de fibra coco. La remoción total de turbiedad varió entre el 60 y el 80 por ciento. 3.3. FILTROS BIOLOGO
Son las aguas residuales domésticas y que son el resultado de las actividades
cotidianas de las personas. Por ejemplo, la que eliminamos a través de los lavaplatos, artefactos sanitarios, etc.
Esta agua contiene cantidad de agentes contaminantes y gérmenes lo que obliga a evacuarlas de forma segura, tanto para las personas, como para el medio ambiente. Evacuar las aguas servidas, a simple vista, parece sencillo, pero no es así.
3.3.1 PROCESO DE RECOLECCIÓN
¿Cómo es el proceso de Recolección?
La recolección se inicia a través del Sistema de Alcantarillado Público, que se
compone de uniones domiciliarias y cañerías de desagüe las que desembocan en los colectores, los que están instalados a mayor profundidad en el suelo. Los residuos que son recolectados y que se descargan en los colectores de grandes diámetros, son los que conducen sus aguas hacia las estaciones elevadoras y a las Plantas de
Tratamiento.
¿Qué son las Estaciones Elevadoras?
Las estaciones elevadoras sirven para facilitar la conducción de las Aguas Servidas de manera gravitacional hasta los lugares donde serán tratadas para luego ser dispuestas en el medio ambiente.
Los Sistemas de Alcantarillado están diseñados para recolectar sólo Aguas Servidas Domésticas
3.3.2 PROCESO DE TRATAMIENTO
El Tratamiento de las aguas Servidas recolectadas debe limpiarse antes de ser
devueltas al medio ambiente, para no dañar la flora y fauna. Existen diferentes tipos de tratamiento de acuerdo al lugar donde se devolverán las aguas:
Plantas de Tratamiento Preliminar con Emisario, que se disponen al mar. Plantas de Tratamiento Biológico que se disponen las aguas en cauces naturales como ríos y
46 esteros: Lagunas de Estabilización (para localidades pequeñas) Sistema de Lodos Activados. Del Proceso de Tratamiento se extraen sólidos en la forma de basura, los cuales son sacados mediante camiones y transportados a lugares especialmente habilitados, que han sido aprobados por las autoridades municipales, de salud y medio ambiente.
3.3.3 PROCESO DE DISPOSICIÓN FINAL
La Disposición final es el proceso en el cual las aguas ya tratadas en las plantas de tratamiento, son devueltas limpias a los cauces naturales como esteros, río y mar. En las zonas del interior, los líquidos previamente tratados y desinfectados, son descargados a los ríos y esteros, y pueden ser utilizados de manera segura para las labores de riego.
En las zonas costeras, estos líquidos tratados, se internan mar adentro a grandes profundidades, en la cual se diluyen naturalmente y con la salinidad del mar se completa el proceso de reciclaje de las aguas residuales.
NOTA:
En el Perú las plantas de tratamiento son escasas y, por lo general, las aguas servidas son vertidas al mar, los ríos o los lagos, dando origen a una seria contaminación de las aguas por saturación de materia orgánica y por los patógenos contenidos (bacterias, virus, huevos de parásitos, etc).
47 Las aguas servidas deben tratarse antes de ser vertidas en el ambiente, y para esto existen sistemas adecuados
3.3.4 EL FILTRO BIOLÓGICO
El filtro biológico es un sistema mixto anaerobio y aerobio no forzado para la depuración de las aguas residuales de viviendas.
Los biofiltros, también denominados filtros biológicos, son dispositivos que eliminan una amplia gama de compuestos contaminantes desde una corriente de fluido (aire o agua) mediante un proceso biológico.
El filtro biológico para aguas residuales se compone de una sedimentación primaria con digestión anaerobia de fangos, seguido de un tratamiento mediante un filtro biológico.
El rendimiento de depuración está entorno al 80% - 90%. Ideal para tratar las aguas en instalaciones en las que no precise gran calidad de vertido. El resultado del proceso es un agua no apta para riego ni vertido a cauce público.
Las aguas residuales, al llegar a la depuradora, primero pasan por el decantador digestor que realiza la sedimentación primaria y la digestión de fangos, donde las bacterias anaerobias degradan la materia orgánica, descomponiendo los sólidos. Las aguas claras pasan por el filtro biológico a través de una tubería que distribuye las aguas claras sobre el material filtrante, donde las bacterias aerobias siguen depurando el agua de los restos orgánicos y la dejan en óptimas condiciones.
Soluciones robustas, prácticas, de fácil colocación y mantenimiento simple.
Mayor capacidad de depuración y retención de sólidos debido al relleno biológico instalado.
3.3.5 SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 3.3.5.1 PRETRATAMIENTO
Se retiran sólidos y gruesos de gran tamaño, así como las arenas y grasas 3.3.5.2 TRATAMIENTO PRIMARIO
Se eliminan sólidos en suspensión fácilmente sedimentables y algo de materia orgánica.
3.3.5.3 TRATAMIENTO SECUENDARIO
La M.O. que queda disuelta y en suspensión así como el resto de las partículas sólidas que no se han eliminado en los tratamientos anteriores, son eliminadas mediante los denominados
48 3.3.6PROCESOS BIOLÓGICOS DE DEPURACIÓN AEROBIA
Realizados por determinado grupo de microorganismos (principalmente bacterias y protozoos) que en presencia de Oxígeno, actúan sobre la M.O. e inorgánica disuelta, suspendida y coloidal existente en el agua residual, transformándola en gases y materia celular, que puede separarse fácilmente mediante sedimentación.
La unión de materia orgánica, bacterias y sustancias minerales forma los flóculos y el conjunto de flóculos es lo que todos conocemos como fango biológico.
Procesos biológicos de depuración aerobia
OBJETIVOS
• Transformación de la M.O.
• Coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables. En el caso de algunas aguas residuales urbanas:
• La eliminación de N2 y de P.
• Disminución de los microorganismos patógenos y fecales que habitan el agua residual.
PROCESOS DE OXIDACIÓN BIOLÓGICA
El mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual: “Oxidación biológica”
De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha M.O. en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción:
M.O. + Microorganismos + Nutrientes + O2 Prod Finales + Nuevos microorg. + Energía
