REALIZADO POR:
ING. JOSÉ DANIEL VIZCARRA LLERENA
PROCESOS DE FILTRACIÓN DEL
AGUA POTABLE.
Programa Especializado en Tratamiento de Agua Potable
CONTENIDO
1.
Introducción.
2.
Filtración Rápida.
3.
Filtración Lenta.
INTRODUCCIÓN
• La filtración es ampliamente usada para remover las partículas suspendidas en el agua. Puede ser definida como el proceso de tratamiento para remover partículas sólidas de una suspensión mediante el paso del fluido a través de un medio poroso.
INTRODUCCIÓN
•
La filtración fue uno de los primeros métodos que se
utilizaron para realizar la depuración de aguas
destinadas al consumo humano.
•
Un ejemplo lo tenemos en la utilización en la
utilización de esta técnica en la ciudad de filadelfia
a partir de 1906.
•
Hasta ese año el consumo de agua se hacía
INTRODUCCIÓN
• La Fiebre Tifoidea se producía en casi 700 de cada 100000 habitantes.
• Al poner en servicio filtros lentos de arena se redujo la incidencia de esta enfermedad a menos de 100 casos por cada 100000 habitantes.
• A partir de 1912, además, se añade cloro en el agua cloro en el agua reduciéndose los casos de infectados a menos de 50 por cada 100000 habitantes.
INTRODUCCIÓN
Es un proceso que consiste en la separación de partículas y pequeñas cantidades de microorganismos(bacterias, virus) a través de un medio poroso.
Es la fase responsable de que se cumplan los estándares de calidad para el agua potable.
Desde el punto bacteriológico, los filtros tienen una eficiencia de remoción superior a 99%.
INTRODUCCIÓN
• En la filtración granular el medio poroso es un lecho de
arena, por ejemplo. El proceso de filtración es uno de los más frecuentemente empleados para potabilizar aguas superficiales. Comúnmente se emplea después del proceso coagulación-floculación-sedimentación o después del proceso coagulación-floculación (filtración
directa) para eliminar los sólidos presentes
originalmente en el agua, o los precipitados mediante la aplicación de compuestos químicos.
• La tecnología más común de filtración granular en
tratamiento de agua es la filtración rápida. El término se usa para distinguirla de la filtración lenta en arena, una tecnología vieja con tasas de filtración 50 a 100 veces inferiores.
FILTRACIÓN
En la filtración se producen las siguientes etapas complementarias:
• Transporte de las partículas dentro de los poros.- Es un fenómeno físico e hidráulico, que está influenciado por parámetros que gobiernan la transferencia de masas. Los mecanismos que pueden realizar transporte son: cernido, sedimentación, intercepción, difusión, impacto inercial y acción hidrodinámica.
• Adherencia a los granos del medio.- Es un fenómeno de acción superficial, que está influenciado por parámetros físicos y químicos. Los mecanismos que pueden realizar adherencia son: fuerzas de Van der Waals, fuerzas electroquímicas y puente químico.
FILTRACIÓN
Las unidades de filtración se clasifican teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
• Lecho filtrante.- Simple (arena o antracita) y lechos dobles o
múltiples.
• Sentido del flujo.- Descendente, ascendente y ascendente-descendente.
• Forma de aplicar la carga de agua sobre el lecho.- A
gravedad y a presión.
• Forma de control operacional.- Tasa constante y nivel
FILTRACIÓN
Los factores que influyen en la filtración son:
• Características de la suspensión: Tipo, tamaño,
densidad, dureza o resistencia de las partículas suspendidas (flóculos), temperatura del agua por filtrar y concentración de partículas suspendidas en el afluente.
• Características del medio filtrante: Tipo, granulometría,
peso específico del material filtrante y espesor de la capa filtrante.
• Características hidráulicas: Tasa de filtración, carga
hidráulica disponible para la filtración, método de control de los filtros y calidad del efluente.
TEORÍA DE LA FILTRACIÓN A TRAVÉS
DE UN MEDIO FILTRANTE
• Un filtro rápido consiste en un lecho de material grueso, tal como arena, de profundidad variable entre 300 mm y varios metros. La cinética de la eliminación de las partículas de tamaño inferior al de los huecos en el lecho, han sido descritos considerando dos etapas: una de transporte, y otra de fijación.
• El transporte hasta la superficie del medio filtrante puede producirse por difusión, intercepción, sedimentación, choque o transporte hidrodinámico. El proceso de transporte está ayudado por la floculación que tiene lugar en los intersticios del filtro y por la distancia relativamente corta de recorrido necesaria para la eliminación por sedimentación.
TEORÍA DE LA FILTRACIÓN A TRAVÉS
DE UN MEDIO FILTRANTE
• La eliminación de las partículas en un filtro de medio
granular, tiene lugar de la siguiente forma:
1) La cantidad de partículas eliminadas por una capa de medio filtrante es proporcional a la concentración de aquellas que entra en la capa.
2) El rendimiento del filtro varía con el tiempo, aumentando al principio para disminuir posteriormente.
3) La cantidad de partículas eliminadas por una capa de medio filtrante es igual a la cantidad acumulada en los poros del filtro.
4) Cada capa del medio alcanza con el tiempo un punto, a partir del cual ya no se produce una clarificación de la suspensión y la
concentración de partículas entrantes es igual a la de salientes.
5) La condición de equilibrio se alcanza, primeramente en la capa en la que se produce la alimentación del filtro, y va progresando a través de éste en la dirección del flujo.
TEORÍA DE LA FILTRACIÓN A TRAVÉS
DE UN MEDIO FILTRANTE
• A medida que se van saturando con el material retenido las sucesivas capas del filtro, la pérdida de carga a través del lecho irá aumentando debido a la obstrucción del flujo. Si la pérdida de carga llega a ser excesiva, puede producirse un vacío parcial en el seno del medio que dé lugar a la formación de burbujas de aire a partir de gases que abandonan la fase líquida. Esta formación de burbujas resulta en una restricción adicional del flujo, incrementando la velocidad de paso y la pérdida de carga y puede dar lugar a un arrastre de las partículas retenidas en el medio.
• Las partículas de mayor tamaño y fuertemente ligadas tienen tendencia a ser retenidas en las capas superiores del filtro, dando lugar a grandes pérdidas de carga y poca penetración del floc.
• Este fenómeno es especialmente pronunciado cuando el medio filtrante es fino. Las partículas suspendidas más finas tienen tendencia a penetrar más en los filtros, especialmente cuando el medio es grueso, distribuyendo de esta forma la reducción de la capacidad de circulación del flujo y dando lugar a menores pérdidas de carga para eliminaciones equivalentes durante períodos de tiempo iguales.
MEDIO FILTRANTE
• La elección de un medio filtrante debe basarse en su durabilidad, el grado de purificación deseado, la duración de los ciclos de filtración y facilidad de lavado a contracorriente. El medio ideal deberá ser de tamaño y naturaleza tales que sea capaz de producir un efluente de calidad satisfactoria, retener la máxima cantidad de sólidos y poder limpiarse con facilidad empleando la mínima cantidad de agua para lavado.
• El tamaño del medio filtrante viene determinado por su tamaño efectivo que es el del tamiz, expresado en milímetros, que deja pasar un 10 % del peso. La uniformidad del tamaño se determina por el coeficiente de uniformidad que es la relación entre el tamaño del tamiz que deja pasar el 60 % del peso y el tamaño efectivo. Los materiales finos producirán mejores efluentes, pero darán lugar a mayores pérdidas de carga en las capas superiores del medio filtrante, con lo que los ciclos de filtración serán más cortos. Por el contrario, los materiales gruesos permiten una mayor penetración del floc, mejor utilización de la capacidad de almacenamiento del filtro, mayor duración de los ciclos de filtración y lavado a contracorriente más sencillo. Se ha comprobado que los materiales finos contribuyen a la formación de bolas de fango.
TIPOS DE FILTROS
Un filtro convencional consta de un tanque de algunos metros de profundidad, en el cual se coloca a los drenes del fondo atravesando el medio Filtrante.
Según el medio filtrante
utilizado Arena Silicea Antracita Granate Ilmenita Magnetita Grava Cascaras de coco y/o restos orgánicos Pastas Arcillosas
TIPOS DE FILTRACIÓN
Según la velocidad de
filtración
Filtración
Rápida
Filtración Lenta
TIPOS DE FILTRACIÓN
Según la profundidad
del lecho
Filtros convencionales (L= 0.6 a 0.74 m) Filtros Profundos (L= 0.9 a 2.40 m.)TIPOS DE FILTRACIÓN
Según el sentido del flujo
Flujo
Ascendente
Flujo
descendente
Flujo Mixto
Flujo Horizontal
TIPOS DE FILTRACIÓN
Según la Carga sobre el
lecho Filtrante
Filtros presurizados (sistema de bombeado).
CARACTERÍSTICAS DE LA FILTRACIÓN
RÁPIDA
• Las mas importantes son:
• Lecho filtrante de material granular que ha sido procesado para tener un tamaño efectivo mayor de 0.45 mm y coeficiente de no uniformidad menor de 1.6 para funcionar estratificado.
• Uso de un coagulante o preacondicionador.
• Sistemas hidráulicos o mecânicos para remover los solidos colectados en el filtro.
• El material filtrante puede ser de mayor tamaño y uniformidad, con mayor espesor o de diferente medio (dual o múltiple), lo que permite a los filtros operar a elevadas cargas hidráulicas minimizando la perdida de carga. Las partículas se remueven a través de profundidad del medio filtrante mediante un proceso llamado filtración en profundidad, el cual da al filtro la capacidad de filtrar sin que se sature con partículas rápidamente.
CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS
RÁPIDOS
Clasificación del Filtro Descripción
Monomedia
Una capa de material filtrante, usualmente arena. Su profundidad es típicamente de 0.6 a 0.76 m. Son diseños viejos que han sido reemplazados por otros.
Monomedia de lecho profundo
Una capa de material filtrante, usualmente antracita o carbón activado granular. Su profundidad es típicamente de 1.5 a 1.8 m. Son usados para proveer largas carreras de filtración efectiva cuando el agua a tratar no presenta cambios consistentes de calidad.
Medio dual
Dos capas de medio filtrante. Los filtros antiguos se diseñaban típicamente con 0.45-0.6 m de antracita sobre 0.23-0.3 m de arena. Actualmente es común que se diseñen con 1.5 m de antracita. Algunas veces la capa de antracita se sustituye por carbón activado granular
Multimedia
Tres medios. Típicamente antracita en la parte superior, arena en la parte central y granate o ilmenita en la parte baja. La capa de antracita tiene una profundidad de 0.45-0.6 m, la capa de arena 0.23-0.3 m y la de granate de 0.1- 0.15 m.
MATERIALES FILTRANTES MAS
UTILIZADOS
•
Los materiales filtrantes mas comunes son:
Arena Antracita Carbón activado
Granular
CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO
FILTRANTE
El medio ideal para la filtración debe poseer las
siguientes características:
• Ser lo suficientemente grueso para tener intersticios entre los granos con gran capacidad de almacenamiento, pero a la vez, suficientemente fino para retener el paso de los solidos suspendidos.
• Una altura suficiente para proporcionar la duración de corrida deseada.
• Una graduación adecuada para permitir un lavado eficiente (poco dispersa).
MATERIAL FILTRANTE
• Los materiales filtrantes deben ser claramente especificados, de manera que no quede duda alguna sobre su granulometría. Los parámetros que se deben emplear para este fin son los siguientes:
•Corresponde al percentil 10 en una distribución de tamaño medida a través de un sistema de cribas.
Tamaño Efectivo
•El coeficiente de uniformidad es la relación entre el tamaño que corresponde al percentil 60 con el del percentil 10.
Coeficiente de Uniformidad
•La forma de los granos normalmente se evalúa en función del coeficiente de esfericidad (Ce). El coeficiente de esfericidad de una partícula se define como el resultado de la división del área superficial de la esfera de igual volumen a la del grano por el área superficial de la partícula considerada.
Forma
•Tamaño por debajo del cual no debe encontrarse granos en el medio filtrante
Tamaño Mínimo
•Tamaño por encima del cual no deben encontrarse granos en el medio filtrante
Tamaño Máximo
•Es la relación del volumen disponible con el volumen total del lecho, expresado como fracción decimal o porcentaje. Es importante debido a que afecta el flujo requerido para retrolavado, la pérdida de carga del lecho filtrante y la capacidad de agarre de los sólidos en el medio. La porosidad es afectada por la esfericidad de los granos: los granos angulares tienen una baja esfericidad y una mayor porosidad.
MECANISMOS DE REMOCIÓN DE
PARTÍCULAS
• Inicialmente, las partículas por remover son
transportadas de la suspensión a la superficie de los granos del medio filtrante y permanecen adheridas a los granos, siempre que resistan la acción de las fuerzas
de cizallamiento debidas a las condiciones
hidrodinámicas del escurrimiento.
• El transporte de partículas es un fenómeno físico e
hidráulico, afectado principalmente por los parámetros que gobiernan la transferencia de masas.
• La adherencia entre partículas y granos es
básicamente un fenómeno de acción superficial, influenciado por parámetros físicos y químicos.
MECANISMOS DE REMOCIÓN DE
PARTÍCULAS
•
Los mecanismos que pueden realizar transporte son
los siguientes:
a) Cernido b) Sedimentación c) Intercepción d) Difusión e) Impacto inercial f) Acción hidrodinámica•
Los mecanismos
de adherencia son
los siguientes:
a) Fuerzas de Van der Waals b) Fuerzas electroquimicas c) Puente quimicoTIPOS DE MATERIALES FILTRANTES
Tipo Tamaño de Poro Materiales
Microtamización 1 – 100 µm Polietileno, Acero Inoxidable, Tela. Tierra de Diatomeas 7 – 50 µm Restos Siliceos de
fósiles.
Material Granular 0.1 – 10 µm Arena, Antracita, Magnetita.
APLICACIONES DE LA FILTRACIÓN
RÁPIDA
En el Tratamiento de agua de Bebida: se
usa la filtración rápida para la remoción
de Hierro y Manganeso, frecuentemente
se
provee
la
aireación
como
pretratamiento para formar compuestos
insolubles de hierro y manganeso.
FILTROS DE PRESIÓN
• Son de construcción similar a los filtros del tipo
gravedad.
• El lecho de filtro y el fondo del filtro están encerrados en
un recipiente hermético de presión de INOX.
• 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.
FILTROS 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,
inclusive del agua cruda turbia, sin ningun aumento
grande de la resistencia del lecho de filtro, debido
a los poros grandes del lecho.
•
Las capas dinas sobrepuestas tienen poros mas
pequeños pero aquí también la resistencia del filtro
aumentará solo lentamente, ya que no quedan
FILTROS DE FLUJO ASCENDENTE
•
En los filtros de flujo ascendente se usa arena como
el único medio filtrante.
•
Frecuentemente, se les usa para el pretratamiento
de agua que es purificada nuevamente mediante
filtros rápidos del tipo gravedad o mediante filtros
lentos de arena.
•
En tales casos, los filtros del tipo flujo ascendente
pueden dar escelentes resultados y pueden ser uy
adecuados para usarlos en plantas pequeñas de
tratamiento.
FILTROS DE FLUJO ASCENDENTE
•
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 del 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.
FILTROS DE MEDIOS MÚLTIPLES
• Son del tipo gravedad, filtros de flujos descendentes,
cuyo lecho de filtro está compuesto de varios
materiales, 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 0.4 – 0.7 mm como capa
inferior, cubierta por 0.5 – 0.7 m de antracita, piedra pómez o cortezas 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
FILTRO RÁPIDO DE ARENA
•
Suelen diseñarse como construcciones o pozos
abiertos, rellenos de arena en los que el agua pasa
a través por gravedad.
•
El agua filtrada drena por conductos que se
encuentran bajo un falso fondo perforado,
conductos que están provistos de compuertas o
válvulas que permiten, cuando la perdida de
FILTRO RÁPIDO DE ARENA
La arena que actúa como medio filtrante suele reposar sobre un lecho de grava que impide que el material mas fino pase al fondo del filtro, a la vez que actúa como distribuidor y compensador de corrientes durante las operaciones de lavado
FILTRACIÓN LENTA
•
Opera en dos etapas.
Etapas Filtración Lenta
Etapa de
Filtración
Etapa de
Generación
FILTRACIÓN LENTA
• La perdida de carga se incrementa lentamente durante la etapa de filtración, la cual tiene una duración de semanas o meses.
• La perdida de carga se incrementa lentamente porque opera a baja tasa de filtración y porque los microorganismos que se encuentran en el medio filtrante degradan parte de las partículas acumuladas.
• Estos filtros típicamente nunca alcanzan un punto de rotura, y la carrera de filtración se finaliza cuando la perdida de carga alcanza la carga disponible en el sistema.
• Posteriormente el medio filtrante se limpia.
• Un filtro con nuevo medio tiene un periodo de maduración de varios días, periodo en el cual se multiplican los microorganismos y se mejora la calidad del efluente.
FILTRACIÓN LENTA
• En la superficie del medio filtrante se forma una capa constituida por material de origen orgánico, conocida con el nombre de schmutzdecke o piel de filtro, a través de la cual tiene que pasar el agua antes de llegar al propio medio filtrante.
• La schmutzdecke o capa biológica esta formada principalmente por algas y otras numerosas formas de vida, como plancton, diatomeas, protozoarios, rotíferas y bacterias.
• La acción intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y degrada la materia orgánica contenida en el agua.
• Las algas muertas, así como las bacterias vivas del agua cruda, son también consumidas en este proceso.
• Al mismo tiempo que se degradan los compuestos nitrogenados se oxigena el nitrógeno.
• También se remueve algo de color y una considerable proporción de partículas inertes en suspensión es retenida por cernido.
FILTRACIÓN LENTA
•
Las ventajas de estos filtros es que son fáciles de
operar y no requieren de supervisión constante.
•
Los operadores no requieren tener conocimientos
sobre la química de la coagulación.
•
Sin embargo, solo deben ser aplicados cuando el
agua tiene una turbiedad menor a 10 NTU, un color
menor a 15 unidades de color y sin arcilla coloidal
presente.
FILTROS LENTOS DE ARENA
•
Están constituidos de tal forma que el agua fluye
muy despacio a través de un lecho de arena fina,
quedando retenidas en la superficie del filtro las
partículas de mayor tamaño, donde forman una
capa biológica porosa muy delgada, pero con una
mayor superficie de contacto en sus poros, que
favorece la adsorción de impurezas en si misma o
en la arena subyacente.
•
Estos filtros requieren una superficie muy extensa de
filtración y una velocidad de circulación muy
reducida.
Retrolavado de los lechos de
filtrado
RETROLAVADO DE LOS LECHOS DE
FILTRADO
• El filtro solo puede producir agua con determinada calidad durante un periodo de tiempo fijo, a partir del cual empiezan a quedar impurezas en el agua filtrada. Esto se debe a que las partículas removidas en la parte superior del lecho filtrante forman un manto con las impurezas retenidas por la filtración que obstruye el paso del flujo e impide el uso de la parte profunda del filtro.
• Por eso, el medio poroso debe regenerarse periódicamente dándole un retrolavado a presión para desalojar esas impurezas y así restaurar la eficiencia del proceso.
• El momento en que el filtro debe retrolavarse se llama punto de rotura. Las impurezas son enviadas al sistema de drenaje.
RETROLAVADO DE LOS LECHOS DE
FILTRADO
• Al principio de la filtración, es decir cuando el filtro está
limpio (ya sea nuevo o después de haberlo lavado), este tiene un periodo inicial de maduración en que la turbiedad del agua filtrada es alta.
• Por ello se desecha el agua filtrada durante los primeros
3 a 5 min.
• Después sigue un periodo de buena calidad que se
debe a que las impurezas ( hasta cierto punto) contribuyen a que se adhieran mas partículas a los granos del filtro. Por ultimo se da el paso de las impurezas a través del lecho.
RETROLAVADO DE LOS LECHOS DE
FILTRADO
• Otra razón por la que se lava el filtro es para disminuir la pérdida de carga producida por la fricción que el fluido sufre al atravesar los poros del lecho filtrante.
• Al comenzar la operación del filtro, los granos del lecho están limpios y la perdida de carga se debe solamente al tamaño, forma y porosidad (características hidráulicas del soporte) y a la viscosidad y velocidad del agua.
• Las partículas que se remuevan del agua van poco a poco recubriendo los granos del lecho incrementando sus diámetros y disminuyendo su porosidad inicial, con lo cual la pérdida de carga se incrementa debido a la disminución del área de paso del flujo.
• Se observa entonces que existe una pérdida de carga inicial y una pérdida de carga por colmatación que es función del tiempo.
