UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA REGIONAL DE INGENIERÍA
SANITARIA Y RECURSOS HIDRÁULICOS
“EVALUACIÓN DE LOS FILTROS RAPIDOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE SANTA LUISA DE LA CUIDAD
DE GUATEMALA”
ESTUDIO ESPECIAL
Presentado a la Escuela Regional de ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos (ERIS)
Por la Ingeniera
Mireya Mejía Thompson
Como requisito previo para optar al Grado Académico de
MAESTRA EN INGENIERÍA SANITARIA
(MAGÍSTER SCIENTIFICAE)
DEDICATORIA
A mi padre, Róger Alcides, por sembrar en mí el
deseo de superación.
A mi madre, Mireya por su confianza y apoyo en la realización de mis metas.
A mis hermanos Róger, Paola y Suyén, por los mejores recuerdos de mi infancia.
A mi abuelita Pallita, por sus cuidados y atenciones.
AGRADECIMIENTO
Al Servicio Alemán de Intercambio Académico,DAAD, especialmente a la Licenciada Neddy Zamora, por concederme la oportunidad de realizar una de mis metas.
A mi amigo y profesor, Elfego Orozco por el tiempo y ayuda en la realización de éste estudio.
Al Ingeniero Félix Aguilar, por la asesoría brindada.
A mi amiga Ivette Morazán, juntas compartimos tres semestres de ardua labor.
A Gustavo Flores, superintendente de la Planta Santa Luisa por su colaboración y apoyo.
A los Operadores de turno y al personal técnico y de mantenimiento de la Planta Santa Luisa, en especial a Manuel Díaz, Erick Sagastume, Manuel Mix, Osvaldo Reyes y Román Jirón, por la voluntad de colaborar en las pruebas de campo.
A mis compañeros de estudio, especialmente a Arnoldo Milián y Pavel Paz por su colaboración. Mirna Gómez, Dora García, Juan López, Sergio Castañeda y John Uribe por hacer mi estadía más grata y placentera. Ustedes son mis mejores recuerdos de Guate...
INDICE GENERAL
INDICE DE ILUSTRACIONES
IV INTRODUCCION
VII
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA IX HIPÓTESIS IX OBJETIVOS X LIMITACIONES XI RESUMEN XII 1.- ANTECEDENTES 1 1.1 Filtros a presión 1
1.2 Análisis histórico de la calidad de agua
3
1.3 Análisis de caudal
11
2.- DESCRIPCION DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO SANTA LUISA 12
2.1 Descripción de las unidades 14 3.- TEORIA DE FILTRACIÓN 16 3.1 Historia de la filtración 16 3.2 Definición 16 3.3 Mecanismo de filtración 17
3.4 Factores que influyen en la filtración
18
3.5 Filtros rápidos
18
4.- SISTEMA DE FILTRACIÓN DE LA PLANTA SANTA LUISA 20
4.1 Descripción del proceso
21 4.1.2 Lavado superficial 23 4.1.3 Retrolavado 25 5.- PROCEDIMIENTOS 28
5.1 Velocidad y caudal de filtración
5.2 Velocidad de lavado del filtro 29
5.3 Duración del proceso de lavado
31
5.4 Bolas de barro
32
5.5 Perfil del lecho de grava
34
5.6 Expansión del lecho de arena
36
5.7 Granulometría y espesor del lecho filtrante
37
6.- RESULTADOS OBTENIDOS 39
6.1 Velocidad y caudal de filtración
40
6.2 Velocidad de lavado del filtro
44
6.3 Duración del proceso de lavado
44
6.4 Bolas de barro
46
6.5 Perfil del lecho de grava
47
6.6 Expansión del lecho de arena
58
6.7 Granulometría y espesor del lecho filtrante
6.8 Determinación de hierro y manganeso en arena 63
7.- INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 64
7.1 Velocidad y caudal de filtración
64
7.2 Velocidad de lavado del filtro
65
7.3 Duración del proceso de lavado
66
7.4 Bolas de barro
67
7.5 Perfil del lecho de grava
68
7.6 Expansión del lecho de arena
70
7.7 Granulometría y espesor del lecho filtrante
71
7.8 Determinación de hierro y manganeso en arena
72
CONCLUSIONES 74
RECOMENDACIONES 75
REFERENCIA 76
BIBLIOGRAFIA 78
ANEXO 1. Tablas Porcentaje de remoción de Color, Turbiedad Hierro, Manganeso, Sólidos Totales, Coliformes Totales.
80
ANEXO 2. Fotografías de las pruebas de campo
INDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1 Antiguas Unidades de Filtración
1 2 Gráfico de Color 1997-2000 5 3 Gráfico de Turbiedad 1997-2000 5 4 Gráfico de Hierro 1997-2000 6 5 Gráfico de Manganeso 1997-2000 6
6 Gráfico de Sólidos Totales 1997-2000
7
7 Gráfico de Coliformes Totales 1997-2000
7
8 Curva de frecuencia acumulada. Color 1997-2000
8
9 Curva de frecuencia acumulada. Turbiedad 1997-2000
8
10 Curva de frecuencia acumulada. Hierro 1997-2000
11 Curva de frecuencia acumulada. Manganeso 1997-2000 9
12 Curva de frecuencia acumulada. Sólidos Torales1997-2000
10
13 Producción promedio diario de la Planta Santa Luisa, año 2000
11
14 Localización de la Planta de Tratamiento Santa Luisa
13
15 Ubicación de las Instalaciones
15
16 Unidades de filtración, Planta Santa Luisa
20 17 Proceso de filtrado 22 18 Lavado superficial 24 19 Retrolavado 26
20 Isométrico interior de la unidad de filtración
27
21 Equipo para realizar la prueba de bolas de lodo
33
22 Varilla metálica graduada y perfil de grava
35
23 Equipo para medir la expansión de la arena
37
24 Gráfico de velocidad de filtrción. Febrero-Marzo 2001-
25 Gráfico Duración del proceso de lavado 46
26 Espesor del lecho filtrante.. Filtro 2
48
27 Espesor del lecho filtrante.. Filtro 3
49
28 Espesor del lecho filtrante.. Filtro 4
50
29 Espesor del lecho filtrante.. Filtro 5
51
30 Espesor del lecho filtrante.. Filtro 6
52
31 Batimetría del lecho de arena Filtro 2
53
32 Batimetría del lecho de arena Filtro 3
54
33 Batimetría del lecho de arena Filtro 4
55
34 Batimetría del lecho de arena Filtro 5
56
35 Batimetría del lecho de arena Filtro 6
57
36 Curva granulométrica del lecho filtrante
60
37 Arena del lecho filtrante
73
38 Velocidad de filtración
39 Expansión del lecho filtrante 86
40 Duración del proceso de lavado
87
41 Perfil del lecho de grava
TABLAS
1 Resultado del análisis estadístico
4
2 Velocidad de filtración. Filtro 2
41
3 Velocidad de filtración. Filtro 3
41
4 Velocidad de filtración. Filtro 4
41
5 Velocidad de filtración. Filtro 5
42
6 Velocidad de filtración. Filtro 6
42
7 Promedio de velocidad de filtración
42
8 Velocidad de lavado
44
9 Turbiedades medidas en el proceso del retrolavado
45
10 Porcentaje de bolas de barro en las unidades de filtración
47
11 Expansión del lecho filtrante
58
12 Porcentaje que pasa de arena (Acumulado)
59
13 Diámetro efectivo y coeficiente de uniformidad
14 Espesores promedios de arena 62
15 Porcentaje de hierro y manganeso en arena
63
16 Clasificación de los filtros según el porcentaje de bolas de barro
67
17 Espesor de arena máxima y mínima en las unidades de filtración
68
18 Porcentaje de incremento de hierro y manganeso en arena
72
19 Porcentaje de remoción para color
80
20 Porcentaje de remoción para Turbiedad
81
21 Porcentaje de remoción para Hierro
82
22 Porcentaje de remoción para Manganeso
83
23 Porcentaje de remoción para Sólidos Totales
84
24 Porcentaje de remoción para Coliformes Totales
INTRODUCCIÓN
La Planta de Tratamiento de Agua Potable Santa Luisa, surte a un sector de la ciudad de Guatemala, a las zonas las zonas 1, 2, 4, 5, 9, 10, 16 y 17.
En la Planta de Tratamiento Santa Luisa se dan los procesos involucrados para la potabilización del agua los cuales conlleva: mezcla
rápida, floculación, sedimentación y filtración.
La filtración es la operación final realizada en la Planta de Tratamiento de Agua y, por consiguiente, es la responsable principal
de producir agua de calidad coincidente con los patrones de potabilidad. El objetivo básico es separar las partículas y microorganismos objetables, que no han quedado retenidos en los procesos de coagulación y sedimentación. En consecuencia el trabajo
que los filtros desempeñan, dependen directamente de la mayor o menor eficiencia de los procesos preparatorios.
El proceso de filtración es muy complejo y envuelve a una serie de mecanismos desde la simple acción de cernido hasta fenómenos de
impacto inercial, sedimentación, intercepción, potencial eléctrico, difusión, floculación, puente químico y en algunos casos actividad biológica. Aún no se ha definido cual es el mecanismo más importante, pero no hay duda sobre la acción simultánea de todos ellos, con mayor
o menor intensidad, a lo largo de la carrerra de filtración.
Las características del agua aplicada a los filtros determinan la calidad del efluente, principalmente a través de la concentración, naturaleza, tamaño y propiedades de adherencia de las partículas.
Recientemente la Planta Santa Luisa fue reacondicionada para mejorar su eficiencia y al momento los resultados no han sido los esperados A finales de 1997 se construyó una batería de seis filtros en sustitución de
las antiguas unidades de filtración que las constituían 19 filtros a presión.
Las nuevas unidades de filtración presentan problemas de colmatación en el lecho filtrante, por tal razón el presente estudio especial titulado “ Evaluación de filtros
rápidos de la Planta de Tratamiento Santa Luisa”, pretende investigar tal problema
utilizando metodología del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria CEPIS; previo a un análisis estadístico de los parámetros: color, turbiedad, hierro,
manganeso, sólidos totales, coliformes totales para el período 1997-2000. y datos de caudales de entrada a la planta para el año 2000.
El presente estudio especial fue financiado por el Servicio Alemán de Intercambio Académico DAAD y la realización de las pruebas de campo, se obtuvo con apoyo del personal de la Planta Santa Luisa.
Es importante señalar que actualmente se está llevando a cabo un estudio especial titulado “Evaluación y comparación de la eficiencia del sedimentador convencional y de placas de la Planta Santa Luisa” por el Ingeniero Arnoldo Milián Dardón,
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿La batería de filtros ha tenido graves problemas, debido a la colmatación del lecho filtrante lo que ha repercutido en un gasto mayor en el proceso de lavado debido al acortamiento de la carrera de filtración ?
HIPOTESIS
El problema de la colmatación en la batería de filtros de la Planta de Tratamiento de Agua Potable Santa Luisa, es debida a la existencia de un lecho filtrante que no cumple con los requerimientos establecidos en los parámetros de diseño.
OBJETIVOS
1.- GENERAL
Determinar los factores que inciden a que el lecho filtrante se colmate rápidamente.
2.- ESPECIFICOS
2.1.- Recopilar y analizar datos históricos de los parámetros físico, químico y bacteriológico para establecer los niveles de eficiencia en la remoción de color, turbiedad, hierro, manganeso, sólidos totales y coliformes totales.
2.2.- Analizar datos de caudales diarios de entrada a la Planta de Tratamiento Santa Luisa en el año 2000 para conocer el caudal promedio de entrada a la Planta.
2.3.- Evaluar las unidades de filtración mediante procedimientos estandarizados por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria. CEPIS.
LIMITACIONES
Las pruebas se efectuaron en cinco filtros de un total de seis, debido a que el filtro 1 se encontraba fuera de operación en el mome nto de la evaluación.
Las pruebas se efectuaron en el instante en que los filtros contaban con carreras de filtración de 48 horas, momento en que se realiza el lavado de las unidades. El bajo caudal de entrada a la Planta de Tratamiento obligó a regirse al horario de lavado.
El estudio involucra principalmente el análisis físico de las unidades de filtración, no entrando en detalle en la calidad de agua que producen los mismos.
RESUMEN
La Planta de Tratamiento de Agua Potable Santa Luisa es una de las seis plantas que abastecen a la ciudad capital. Esta planta fue diseñada para producir 400 l/s y actualmente produce el 7% del total de agua consumida en la ciudad de
Guatemala.
El presente estudio especial titulado “ Evaluación de los filtros rápidos de la
Planta de Tratamiento Santa Luisa”, de la ciudad de Guatemala, tiene por objetivo
conocer las variables que afectan el problema de la colmatación en el lecho filtrante de los mismos.
En éste estudio se recopilaron los datos históricos de los análisis físico químico y bacteriológico que realiza el laboratorio
EMPAGUA-USAC en el período 1997-2000, para conocer los porcentajes de remoción en los filtros y realizar el análisis estadístico para: color, turbiedad, hierro, manganeso, sólidos totales y Coliformes Totales. Dando como resultado que el 80% del tiempo se obtienen valores, por
debajo del límite máximo permisible establecido por la norma COGUANOR 29-001, para los parámetros antes mencionados, en la salida de los filtros. Lo anterior es representativo de igual manera para
la época en que se realizó la evaluación de los filtros,
Así mismo se obtuvieron los caudales de entrada a la Planta Santa Luisa para el año 2000, con los cuales se realizó el análisis estadístico respectivo con el objetivo de conocer el caudal promedio con que opera la planta de tratamiento. Los resultados nos informa que
En la evaluación en campo de las unidades de filtración se utilizaron para ello los procedimientos propuestos por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria CEPIS, contenido en el manual IV
: Evaluación, Filtración Rápida. Tomo III: Procesos – Tecnología Convencional, las pruebas efectuadas fueron las siguientes :Velocidad
de filtración, Velocidad de lavado, Duración del proceso de lavado, Bolas de barro, Perfil del lecho de grava, Expansión del lecho filtrante,
Granolumetría y espesor del lecho filtrante. También se determinó el contenido de hierro y manganeso en la arena de los filtros por el Laboratorio de Soluciones Analítica, debido a las altas concentraciones
que se han venido presentando recientemente en la Planta.
Esta evaluación se realizó durante los meses de Febrero, Marzo y Abril del 2001. Los resultados obtenidos fueron comparados con los
parámetros de diseño contenidos en el Manual de Operación y Mantenimiento elaborado por Kyowa Enginnering Consultants Co., Ltd,
Hitachi Plant Engineering & Construction Co., Ltd.
Estableciéndose que el promedio de la velocidad de filtración se ubica debajo del rango de diseño, la velocidad de lavado es muy alta provocando elevadas expansiones del lecho filtrante, la duración del proceso de lavado es igual al tiempo manejado para el lavado de los
filtros, el lecho filtrante carece de bolas de barro y espesor recomendado, el diámetro efectivo resultó por debajo del rango recomendado, lo cual explica la finura de la arena. En promedio la arena
presenta un incremento del 98% con respecto a manganeso y un 25% para hierro.
El problema de la colmatación se debe a que el lecho filtrante está constituido por arena muy fina. Este problema se agudiza en la época de invierno donde las corrientes de agua arrastran grandes cantidades de sólidos, el cual incide en el ingreso de elevadas turbiedades a la Planta de Tratamiento.
1.- ANTECEDENTES
1.1.- Filtros a presión
Las antiguas unidades, estaban constituidas por filtros a presión de acero y lecho filtrante de arena. Estaban dispuestos en dos baterías: una batería con salida de 18” y una batería con salida de 20” , para un total de 19 unidades.
Figura 1.-
Antiguos unidades de filtración
Batería con salida de 20”, Filtros pequeños. Tipo A. Estaba compuesta por 3 filtros pequeños, localizados al inicio de la batería, con diáme tro exterior de 2.5 m y 5.35 m de longitud. El falso fondo estaba constituido por boquillas de bronce espaciadas a 0.15 m de diámetro de ½”.
Batería con salida de 20”, Filtros grandes. Tipo B. Existían 6 unidades las cuales contaban con diámetro de 2.5 m y 8.45 m de longitud. El falso fondo de éstas
unidades estaba constituido por block tipo Wagner y tuberías recolectoras de 1 ½” de hierro galvanizado, las cuales conducen el agua recolectada a la tubería de salida.
Batería con salida de 18”. Tipo C. Existían 10 filtros con un diámetro de 2.5m y 6.65m de longitud. El fondo falso estaba constituido por planchas de acero con boquillas de bronce, espaciadas a 0.15m y diámetro de ½”
Se efectuaron eventualmente pequeñas reparaciones, pero nunca se realizó un trabajo serio de mantenimiento, como : el vaciado, reclasificación de los lechos filtrantes y cambio de los accesorios internos, lo cual incidido en que fueran prácticamente inoperables.
De manera general los problemas que presentaban las antiguas unidades de filtración eran las siguientes: las válvula de aire y los medidores estaban rotos o averiados y existían fugas de agua en las válvulas. El tanque de filtrado funcionaba sólo por experiencia del personal encargado. Por otra parte había mucha pérdida de arena, la cual desaparecía por el arrastre del agua. La arena agregada para rellenar las capas no estaba dentro de las especificaciones del diseño por tanto no era posible esperar que el filtrado fuera efectivo.
Por tal razón, se construyó una batería de seis filtros rápidos, según el acuerdo con los Ingenieros de la Empresa Municipal de Agua (EMPAGUA) y fondos de JICA (Japan International Cooperation Agency), a finales de 1997.
1.2.- Análisis histórico de calidad de agua
En ésta primera parte de la evaluación, se recopilaron los datos históricos de los parámetros físico químico y bacteriológico en el laboratorio EMPAGUA-USAC en la entrada y salida de los filtros durante el período 1997-2000, para color,
turbiedad, hierro, manganeso, sólidos totales y coliformes totales.
Los datos recopilados y los respectivos porcentajes de remoción de cada parámetro antes mencionados, se muestran en Anexo 1.- En su mayoría se obtuvo remoción de los parámetros analizado en la salida con respecto a entrada de los filtros, no obstante se observaron datos puntuales de remociones negativas, lo cual indica aporte de parte de los filtros al incremento de dichos parámetros.
Las Figuras 2-6, muestran gráficamente el comportamiento de los datos recopilados para color, turbiedad, hierro, manganeso, sólidos totales, coliformes totales y su ubicación con respecto al Límite máximo permisible de la norma COGUANOR 29001.
Del análisis estadístico se obtienen las Figuras 7-11, referente a las curvas de frecuencia acumulada para color, turbiedad, hierro, manganeso y sólidos totales. La Tabla 1.- contiene los resultados obtenidos.
De forma general se puede asegurar que el 80% del tiempo de operación de los filtros de la Planta Santa Luisa se produce agua con color, turbiedad hierro, manganeso por debajo del límite máximo permisible establecido por la norma COGUANOR 29001. Lo anterior es concluyente de igual manera para la época en que se realizó la evaluación en campo de los filtros (Febrero, Marzo, Abril 2001), período en el cual se realizaron dos muestreos.
Tabla1.-
Resultados del análisis estadístico 80% del tiempo
Parámetros Unidad
Entrada Filtros Salida Filtros
Norma COGUANOR* 29001 Color (U) ≤ 35 ≤ 17 35 Turbiedad (UNT) ≤ 5 ≤ 2.5 15 Hierro (mg/l) ≤ 0.12 ≤ 0.06 1 Manganeso (mg/l) ≤ 0.65 ≤ 0.046 0.5 Sólidos Totales (mg/l) ≤ 135 ≤ 125 1000
Figura 2.- Gráfico de Color.1997-2000 Figura 3.- Gráfico de Turbiedad.1997-2000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 09/05/97 26/06/97 18/08/97 01/09/97 10/10/97 07/11/97 27/11/97 09/01/98 27/02/98 18/06/98 23/10/98 17/04/99 14/07/2000 Fecha UNT
Salida sedimentador grande Salida sedimentador pequeño Salida Filtros
LMP: Límite Máximo Permisible. Norma COGUANOR 29001 LMP: 15 UNT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 09/05/97 26/06/97 18/08/97 01/09/97 10/10/97 07/11/97 27/11/97 09/01/98 27/02/98 18/06/98 23/10/98 17/04/99 14/07/2000 Fecha (u)
Salida sedimentador grande Salida sedimentador pequeño Salida Filtros
LMP: Límite Máximo Permisible. Norma COGUANOR 29001 LMP: 35 u
Figura 4.- Gráfico de Hierro. 1997-2000 Figura 5.- Gráfico de Manganeso. 1997-2000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 09/05/97 26/06/97 18/08/97 01/09/97 10/10/97 07/11/97 27/11/97 09/01/98 27/02/98 18/06/98 23/10/98 17/04/99 14/07/2000 Fecha mg/l
Salida sedimentador grande Salida sedimentador pequeño Salida Filtros
LMP: Límite Máximo Permisible. Norma COGUANOR 29001 LMP: 1 mg/l 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 09/05/97 26/06/97 18/08/97 01/09/97 10/10/97 07/11/97 27/11/97 09/01/98 27/02/98 18/06/98 23/10/98 17/04/99 14/07/2000 Fecha mg/l
Salida sedimentador grande Salida sedimentador pequeño Salida Filtros
LMP: Límite Máximo Permisible. Norma COGUANOR 29001 LMP: 1 mg/l
Figura 6.-
Gráfico Sólidos Totales. 1997-2000
Figura 7.-
Gráfico de Coliformes Totales. 1997-2000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 09/05/97 16/05/97 26/06/97 16/07/97 18/08/97 21/08/97 01/09/97 31/10/97 10/10/97 15/10/97 07/11/97 21/11/97 27/11/97 17/12/97 01/09/98 23/01/98 06/05/98 18/06/98 18/08/98 17/04/99 24/09/99 14/07/2000 13/10/2000 Fecha mg/l
Salida sedimentador grande Salida sedimentador pequeño Salida Filtros
LMP: Límite Máximo Permisible. Norma COGUANOR 29001 LMP:1000 mg/l 1 10 100 1000 10000 100000 09/05/97 26/06/97 18/08/97 31/10/97 15/10/97 21/11/97 17/12/97 23/01/98 06/05/98 18/08/98 25/11/98 24/09/99 13/10/2000 Fecha NMP/100 CM 3
Salida sedimentador grande Salida sedimentador pequeño Salida Filtros
LMP: Límite Máximo Permisible. Norma COGUANOR 29001
LMP: <3 NMP/100 cm3
Figura 8.-
Curva de frecuencia acumulada. Color1997-2000
Figura 9.-
Curva de frecuencia acumulada. Turbiedad 1997-2000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Color (UC) % Acumulado
Figura 10.-
Curva de frecuencia acumulada. Hierro 1997-2000
Figura 11.- 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 Turbiedad (UNT) % Acumulado
Entrada Filtros Salida Filtros
0 20 40 60 80 100 120 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Hierro (mg/l) % Acumulado
Curva de frecuencia acumulada. Manganeso 1997-2000
Figura 12.-
Curva de frecuencia acumulada. Sólidos Totales 1997-2000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Manganeso (mg/l) % Acumulado
Entrada Filtros Salida Filtros 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Sólidos Totales (mg/l) % Acumulado
1.3.- Análisis de Caudal
Se obtuvieron datos de caudal diario de entrada a la planta para el año 2000. Se hizo el análisis estadístico, dando un promedio diario de 327 l/s. Según
consideraciones de diseño, el caudal de operación es 400 l/s, el análisis anterior nos indica que la Planta trabaja con caudales menores a éste.
La figura 13, indica que el 56% de los datos de caudales de entrada a la planta, fluctúan en un rango equivalente a la desviación estándar, alrededor de la media.
Figura 13.-
Producción Promedio Diario de la Planta Santa Luisa, año 2000
150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 Días Caudal l/s
Caudal Promedio Anual : 327 l/s
S
2.- DESCRIPCION DE LA PLANTA SANTA LUISA
La Planta de Tratamiento Santa Luisa, se encuentra ubicada al este de la ciudad de Guatemala, a una distancia aproximada de 10 km del centro de ella, en la zona 16. (Ver Figura 14).
Es una de las seis plantas que abastecen a la ciudad capita, entre ellas las zonas 1,2,4,5,9,10,16 y 17; diseñada para producir 400 l/s. Actualmente se abastece de tres fuentes: Teocinte, Canalitos y Acatán.
La fuente de alimentación Acatán, reúne varias fuentes de pequeños ríos a una distancia aproximada de 7 km, la cual llega a Santa Luisa por
medio de dos tuberías (φ16” y φ12”). En la presa Teocinte, concurren las
aguas de los ríos: Teocinte, La Piedrona y San José Pinula, a una distancia de 14.2 km al este de la planta. El agua ingresa por medio de dos tuberías:
Teociente I ( φ18”), Teociente II (φ 20”). La fuente Canalitos ingresa por un
sistema de bombeo, son utilizadas 3 bombas las cuales elevan el agua hasta
la planta a una distancia de 2.6 km, por medio de una batería de (φ 18”).
El proceso de potabilización en la planta de tratamiento Santa Luisa es de tipo convencional, utilizando sulfato de aluminio como coagulante y
ocasionalmente se emplea cal para regular la alcalinidad y pH del agua, seguido de floculación, sedimentación, filtración y la desinfección. Además se tiene por practica común realizar una pre cloración (2 – 10 mg/L) antes de la aplicación del sulfato de aluminio.
Figura 14.-
Localización de Planta de Tratamiento Santa Luisa
2.1.- Descripción de las unidades
Vertederos: Existen cuatro vertederos rectangulares de pared delgada, donde se realizan las mediciones de caudales
de entrada. En el canal de entrada se unifican los caudales provenientes de Teocinte, Canalitos y Acatán
Dosificación de productos químicos: Se utiliza sulfato de aluminio
como coagulante, cal como ayudante de coagulación y regulador de pH y cloro gas (pre-cloración y post cloración) para desinfección. Inicialmente se aplica el cloro (pre cloración), en la parte inicial del canal de mezcla (antes de la canaleta parshall). La post cloración se realizada en el vertedero ubicado en el canal de mezcla de salida de los filtros.
Floculador y Sedimentador: El floculador es hidráulico de flujo
horizontal, con tres cámaras de floculación. Los sedimentadores se
componen del depósito construido originalmente y rehabilitado, denominando depósito de sedimentación 1 (grande o convencional ) y una ampliación posterior denominada depósito de sedimentación 2 (pequeño o de placas).
Filtros: El sistema de filtración consta de 6 unidades de filtros rápidos por gravedad, de tasa constante y altura
variable. Por medio del vertedero de ingreso, se mide y distribuye el agua a los filtros de forma uniforme. El agua pasa por un medio filtrante de arena, posteriormente el agua filtrada ingresa a los tanques de distribución.
Tanque de distribución: Se cuenta con dos tanques de
almacenamiento y distribución, construidos de concreto a nivel del suelo con
capacidad de 30,000m3 y 11,000 m3 respectivamente.
Figura 15.-
Ubicación de las Instalaciones
3.-
TEORIA DE FILTRACIÓN
3.1.- Historia de la filtración
Los primeros diseños de filtros rápidos aparecieron en Norteamérica a mediados del siglo pasado, bajo patente; los cuales fueron llamados filtro mecánicos o americanos, en contraposición a los filtros ingleses.
El primer filtro rápido lo construyó Smith Hyatt en 1855 en la ciudad de Somerville. La gran innovación fue la limpieza del lecho filtrante, pues en lugar de hacerse raspando la capa superior del mismo , el cual era un sistema largo y costoso, se hacía invirtiendo el sentido del flujo, donde en el proceso de filtrado era de arriba hacia abajo y en el lavado de abajo hacia arriba. Esto facilitaba la operación casi continua del flujo.
Este sistema pasó a Bélgica, Alemania y Francia y pronto surgieron varias compañías que obtuvieron patentes para sus respectivos diseño. En los últimos sesenta años, tanto la teoría como la práctica de la filtración se han venido desarrollando notablemente, pero sin que se les hayan hecho modificaciones sustanciales al proceso inicial. (1)
3.2.-Definición
La filtración es un mecanismo en el cual se da la remoción de partículas suspendidas y coloidales a través de un medio poroso.
Una planta de filtración rápida por arena consiste fundamentalmente en un lecho de arena, relativamente gruesa, que elimine previamente los sólidos coagulados arrastrados después de la sedimentación. (2)
3.3.- Mecanismos de filtración
En el proceso de filtración son considerados dos mecanismos: transporte y adherencia. El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico e incluye los mecanismos de Impacto Inercial, Intercepción, Sedimentación, Difusión y Acción hidrodinámica. En cambio los mecanismos de adherencia están gobernados
principalmente por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de los granos.
El mecanismo de Impacto Inercial. pone de manifiesto que cuanto mayor es la velocidad intersticial y menor el diámetro de los granos, mayor será la posibilidad de que las partículas suspendidas dejen la línea de corriente y colisionen con los granos.
Respecto al mecanismo de Intercepción, afirma que las partículas suspendidas tienen densidad aproximadamente igual a la del agua ellas serán removidas de la suspensión cuando, en relación a la superficie de los granos del medio filtrante, las líneas de corriente están a una distancia menor que la mitad del diámetro de las partículas suspendidas.
Se ha observado que las partículas relativamente pequeñas presentan un movimiento errático cuando se encuentran suspendidas en un medio líquido, conocido como movimiento Browniano, debido al aumento de la energía
termodinámica y a la disminución de la viscosidad del agua. Lo anterior es llamado mecanismo de difusión.
La acción hidrodinámica de las partículas suspendidas en un fluido con gradiente de velocidad constante está sometida a velocidades tangenciales variables en dirección perpendicular al del escurrimiento, provocando una diferencia de presión en dirección perpendicular al escurrimiento haciendo que la partícula sea conducida a una región de velocidad más baja. (3)
3.4.- Factores que influyen en la filtración
La eficiencia de la remoción de las partículas coloidales en el lecho filtrante está relacionada con las siguientes características de la suspención:
• El tipo de partículas suspendidas, la cual está relacionada con el tipo,
tamaño y densidad de las partículas.
• Resistencia o dureza de las partículas en suspención
• Temperatura del agua
• Concentración de partículas en el efluente.
• Potencia l zeta de la suspención y pH del afluente.
Las características del medio filtrante es otro factor importante que influye en la filtración, entre los cuales se pueden mencionar los siguientes:
• Tipo y tamaño efectivo del medio filtrante.
• Coeficiente de uniformidad , esfericidad y peso específico de los granos
del material filtrante.
• Espesor del lecho filtrante. (4)
3.5.- Filtros rápidos
Una planta de filtración rápida comprende los procesos de coagulación, sedimentación o decantación y filtración rápida. Los filtros hacen la labor de
pulimento , generalmente no reciben más de 10 Unidades de Turbiedad. Con el fin de completar la remoción de microorganismo patógenos presentes en el agua cruda, se aplica la desinfección.
Una Planta de filtración rápida está compuesta por procesos cuyos
mecanismos de remoción son físicos y químicos, utilizando altas tasas de velocidad. Se lavan aplicando un flujo ascensional de agua para expandir el lecho filtrante, método denominado, retrolavado; dicho método toma de 8 a 15 minutos como máximo, por lo que esta operación se puede ejecutar muy fácilmente (cada 50 a 70 horas).
Debido a esta ventaja, es que los filtros rápidos se pueden operar normalmente
en un rango de velocidades de 80 a 300 m3/m2/d (3.5-12.5 m/h), dependiendo la tasa
óptima de las características del lecho filtrante y de la suspensión, requiriendo de áreas muy pequeñas en relación al filtro lento.
Las altas tasas de velocidad con las que funciona y el empleo de coagulación ( proceso que demanda sumo cuidado en su operación), demanda de un recurso
humano calificado y mayores recursos económicos y materiales para su operación y mantenimiento. (5)
Los filtros rápidos pueden estar compuestos de arena natural de sílice, carbón de antracita triturado, magnetita (mineral) triturada y arenas de granate. Las arenas naturales granulares y los minerales triturados que se emplean normalmente, difieren en tamaño y en distribución de tamaños, en forma y en variación de forma, así como en densidad y composición química. (6)
4.-
SISTEMA DE FILTRACIÓN DE LA PLANTA SANTA
LUISA
Las actuales unidades de filtración fueron construidos a finales de 1997 con fondos JICA (Japan International Cooperation Agency), en sustitución de los antiguos filtros a presión.
Las unidades están constituida por una batería de seis (6) filtros rápidos de tasa constante y altura variable.
Figura 16.- Unidades de filtración Planta Santa Luisa
Los parámetros de diseño contenidos en el Manual de Operación y
Mantenimiento elaborados por Hitachi Plant Engineering & Construction Co., Ltd. y Kyowa Engineering Consultants Co.,Ltd son los siguientes:
• Flujo de agua tratada:400 l/s
• Diámetro efectivo: 0.55 – 0.65 mm. Coeficiente de uniformidad: <1.7
• Area de cada unidad: 45 m2
• Tasa de filtración: 150 m3/m2/d
• Velocidad de retrolavado: 0.6 m3/m2/d
4.1.- Descripción del proceso
El agua proveniente de los sedimentadores (convencional y de placas) es conducido a la batería de filtros por medio de dos tuberías (450 y 500 mm) a un pozo central localizado en la entrada del mismo, éste se divide en dos canales de
distribución, los cuales distribuyen equitativamente el flujo de agua a cada uno de los filtros por medio de vertederos rectangulares, ubicados en la entrada a los mismos.
El agua que ingresa a cada uno de los filtros, pasa a través del lecho filtrante de arriba hacia abajo. El agua que atraviesa la cama de arena se la denomina Agua
Filtrada. Luego de pasar por la cama de arena se encuentran unas boquillas plásticas
(5760 unidades) que sirven para dejara que pase únicamente el agua hacia la parte inferior de la cámara de filtración. El proceso de filtrado se puede observar con mayor claridad en la Figura 17, la cual incluye a su vez los pasos que conlleva al proceso.
Cuando el nivel del agua dentro del filtro sube hasta donde se encuentra el electrodo del switch de nivel, se enciende una luz en el panel eléctrico ubicado en el cuarto de operadores, la cual indica la necesidad del lavado en la unidad. Para
proceder con el lavado, hay dos pasos a seguir: Lavado Superficial y Retrolavado. En la figura 20, se muestra el isométrico del interior de un filtro, en el cual se puede observar el flujo del agua desde su ingreso a través de la válvula de entrada hasta el canal de salida, así como también lo elementos que en su conjunto constituyen la unidad de filtración.
Actualmente el lavado de los filtros se realiza cuando completan una carrera de filtración de cuarenta y ocho (48) horas, debido a los bajos caudales de entrada a la Planta con respecto al caudal de diseño.
Figura 17.- Proceso de Filtrado
Fuente: Documento Rehabilitación de la Planta Santa Luisa. EMPAGUA-KYOWA
Proceso de Filtrado
2.- Asegurarse que las válvulas de drenaje(φ 700) y de lavado de superficie (φ
300) estén cerradas.
3.- Esperar que el nivel de agua dentro del filtro llegue a la parte superior de los canales.
4.-Abrir totalmente las compuertas de salida del filtro.
5.- Esperar a que el nivel de agua rebalse el vertedero de salida del tanque de recolección.
6.- Observar que el nivel de agua al otro lado del vertedero de salida alcance dos metros de altura.
7.- Abrir la dos válvulas de salida (φ 500)
4.1.2.- Lavado superficial
El lavado superficial se realiza por medio de una bomba de tipo horizontal con
una capacidad de 9 m3/min., la cual inyecta agua a presión sobre la superficie del
lecho filtrante para romper las bolas de barro. Existe un panel eléctrico, donde se da la señal de arranque a la bomba. Es importante señalar que éste proceso se podrá realizar únicamente un filtro a la vez.
El lavado superficial consiste en lo siguiente: La bomba impulsa el agua
limpia hacia la unidad de filtración donde se encuentra una tubería φ 300 mm a lo
ancho de la unidad, a 30 cm del borde superior de las canaletas de lavado,
distribuyendo el agua a través de una tubería de φ 100 mm . El agua ingresa a la parte
El tiempo de funcionamiento de las bombas es de aproximadamente seis (6) minutos, tiempo estimado en el diseño. La Figura 18 esquematiza el proceso del lavado superficial e incluye los pasos que conlleva al proceso del lavado superficial
Figura 18.- Lavado Superficial
Fuente: Documento Rehabilitación de la Planta Santa Luisa. EMPAGUA-KYOWA
Proceso de Lavado Superficial
1.- Abrir la válvula de lavado superficial (φ 300), del filtro que se está lavando
2.- Cerrar la válvula de entrada de agua cruda
3.- Abrir la válvula de drenaje hasta la marca aproximadamente de 1/8
4.- Arrancar la bomba de lavado, en el panel remoto, instalado en la parte superior del filtro rápido. La bomba de lavado superficial, se encuentra instalada en el cuarto de bombas. Verificar que las válvulas de succión y descarga estén abiertas.
5.- Esperar que la bomba de lavado de superficie pare automáticamente (aproximadamente 6 minutos).
4.1.3.- Retrolavado
El proceso de retrolavado consiste en inyectar agua por la parte de abajo del filtro a través de unas boquillas, las cuales distribuyen el agua uniformemente en todo el lecho filtrante. El objetivo del proceso es provocar la expansión del lecho filtrante, los granos se froten y se pueda desprender las partículas que han sido retenidas en la operación de filtrado.
Se hace utilizando el principio de gravedad por diferencia de niveles. Estando abiertas las compuertas que dan paso al agua entre la cámara de agua tratada y el tanque de filtración, se abre el drenaje del filtro totalmente, por diferencia de niveles el agua circula, en la dirección de la cámara de agua filtrada hacia el tanque de filtración. En la figura 19, se ejemplifica mediante un diagrama de flujo el proceso del retrolavado.
El proceso de retrolavado dura aproximadamente seis (6) minutos, tiempo establecido por los Ingenieros Japoneses en el diseño de las unidades. El agua del lavado de la superficie y el agua del retrolavado son colectados en el drenaje y son descargados por la válvula de drenaje.
4.1.4.- Tanque de reserva de Retrolavado
Es muy importante durante la operación del filtro rápido mantener el nivel de agua, dentro del tanque colector de agua filtrada; en ciertas ocasiones tales como bajo caudal de agua, será necesario utilizar el contenido del tanque para mantener el nivel.
Figura 19.-
Retrolavado
Fuente: Documento Rehabilitación de la Planta Santa Luisa. EMPAGUA-KYOWA
Proceso de retrolavado
1.- Abrir totalmente la válvula de drenaje
2.- Esperar seis (6) minutos y/o hasta que el agua que sale de la cama filtrante esté limpia.
Figura 20.-
5.- PROCEDIMIENTO PARA LA EVALUACIÓN DE LAS UNIDADES DE FILTRACIÓN
El procedimiento a utilizar, fue tomado del Manual IV: Evaluación de Filtración rápida del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del ambiente (CEPIS), el cual se detalla a continuación.
5.1.- Velocidad y caudal de filtración
El objetivo de ésta prueba es determinar la velocidad y el caudal con el que está operando cada una de las unidades.
El equipo a utilizar es el siguiente:
• Una regla graduada
• Un cronómetro
El procedimiento para el cálculo de la velocidad de filtración se describe seguidamente:
• Colocar la regla dentro del filtro.
• Cerrar la válvula de ingreso del afluente
• Medir el tiempo (Tf) en segundos, necesario para que el nivel del agua
baje de una marca de la regla a la siguiente, una distancia de (H) 10 cm.
• Repetir varias veces la medición y promediar los valores de (Tf)
Vf (m3/m2/d) = Tf Af f × × ∀ 86,400 Donde:
Aƒ : Área del lecho filtrante (m2)
Tf: Tiempo de filtrado (s) ∀f: Volumen filtrado (m3)
5.1.1.- Observaciones
Debe tenerse cuidado de que el nivel del agua esté siempre por encima de las canaletas de lavado mientras se efectúan las mediciones.
5.1.2.- Aplicación e importancia de la prueba
La tasa de filtración depende de muchos factores como: tipo de suspensión del afluente, (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polímero
auxiliar, color verdadero, turbidez, número de microorganismos etc). (7)
Bajas velocidades de filtración no son sinónimo de una alta eficiencia y viceversa. La velocidad de filtración tiene únicamente interrelación con la calidad del agua en aguas difíciles de tratar.(8)
5.2.- Velocidad de lavado del filtro
El objetivo de esta prueba consiste en determinar el caudal y la velocidad de lavado con que está operando el filtro.
El equipo a utilizar es el siguiente:
• Un cronómetro
El procedimiento es el siguiente:
• Se fija la regla graduada a una de las paredes del filtro
• Cerrar la válvula de ingreso de agua sedimentada y cuando el nivel del
agua descienda hasta el medio filtrante cerrar la válvula de salida de agua filtrada.
• Abrir la válvula de desagüe y la de ingreso de agua de lavado
• Medir el tiempo (T) que tarda en subir el nivel de agua en la caja del filtro
una altura H.
• Calcular la velocidad y el caudal de lavado.
• VL = T H Q = T H A× Siendo:
A : Área del filtro (m2)
H : Variación de la altura del agua (m)
T : Tiempo en que se incrementa una altura H (minutos)
5.2.1.- Aplicación e importancia de la prueba
El lavado del filtro es la operación por la cual se inyecta agua por la parte de abajo del filtro, con una adecuada presión, con el objeto de que el lecho filtrante se expanda, los granos se froten y se desprenda todo el material que ha quedado retenido entre ellos en la operación de filtrado.
La mayoría de los problemas en los filtros se origina por un lavado deficiente incapaz de: a) desprender la película que recubre los granos del lecho y b) romper las grietas o cavidades en donde se acumula el material que atrae el agua. Para evitar que esto ocurra con frecuencia, el lavado deberá hacerse con sumo cuidado.
La mayor dificultad radica en poder producir una uniforme distribución del flujo ascendente, ya sea por fenómenos hidráulicos, o rupturas en los drenes; lo cual trae como consecuencia formación de bolas de barro y desniveles en
el lecho filtrante como producto de la pérdida de material. (9)
5.3.- Duración del proceso de lavado
Dicha prueba tiene por finalidad determinar como varía la turbiedad del agua de lavado durante el proceso, a fin de determinar el tiempo óptimo en que debe ejecutarse esta operación.
El material o equipo a utilizar en la prueba es el siguiente:
• 15 frascos de 150 ml
• Un cronómetro
• Un turbidímetro
•
El procedimiento se detalla a continuación:
• Numerar los frascos del 1 al 15
• Iniciar el lavado normal del filtro y tan pronto como caiga la primera agua
de lavado en las canaletas, llenar el primer frasco rápidamente. Continuar llenando los frascos cada minuto hasta completar los 15.
• Determinar con el turbidímetro las turbiedades de las muestras y dibujar la curva turbiedad versus tiempo en papel logarítmico-aritmético de tres ciclos.
• Determinar en la curva el punto de inflexión inferior en donde ésta tiende
a ser asintótica con respecto al eje horizontal. El tiempo óptimo de lavado corresponderá al coincidente con el punto de inflexión. A partir de este momento no se gana nada con prolongar el proceso.
5.4.- Bolas de barro
El objetivo de la prueba es determinar la cantidad de bolas de barro existentes en el lecho filtrante.
El material necesario para realizar la prueba consiste en un muestreador (Figura 21.-), con forma de un cilindro metálico 75 mm de diámetro interno y una altura aproximada de 150 mm, una malla metálica No.10 (2 mm de abertura) y una probeta de 500 ml.
El procedimiento se describe a continuación:
• Lavar normalmente el filtro y drenar el agua hasta el nivel de 20 cm por
debajo de la superficie de la arena.
• Determinar el volumen (V) del muestreador.
• Introducir el muestreador por lo menos en cuatro puntos para extraer un
número equivalente de muestras. Retirarlo con cuidado para que no se caiga el material y colocar todas las muestras en un solo recipiente.
• Tomar el material por partes y colocarlo en un tamiz el cual se sumerge
en un balde de agua. Se mueve el tamiz suavemente para que desprenda la arena y queden retenidas las bolas de barro.
• Estas se transfieren a la probeta a la que se ha colocado un determinado
• El volumen de bolas de lodo estará dado por el aumento de volumen del agua contenida en la probeta.
• El resultado se expresa en porcentaje con respecto al volumen de
muestra procesada:
% bolas de barro = Incremento de volumen en la probeta x 100 Volumen de la muestra
Figura 21.-
Equipo para realizar la prueba de bolas de lodo
5.4.1- Aplicación e importancia de la prueba
Un filtro bien conservado no debe contener bolas de barro. Sin
embargo, con el tiempo éstas pueden irse formando hasta llegar a un 1% sin que afecten mayormente el funcionamiento de la unidad. Por encima de ese valor de eficiencia se ve afectada cada vez en mayor grado. Porcentajes
mayores de un 5% están indicando la necesidad de recons trucción o
tratamiento intensivo del medio filtrante (10)
La presencia de bolas de barro conlleva a disminuir el área de paso de flujo. Este fenómeno se presenta paulatinamente: primero se llenan las
cavidades dentro el lecho, al no ser removido este material se compacta y una cavidad se une con otra hasta formar bolas relativamente grandes. En estas condiciones, el filtro deja de ser útil como proceso de tratamiento y
debe ser reconstruido totalmente. (11)
5.5.- Perfil del lecho de grava
La prueba tiene como objetivo determinar la magnitud de los movimientos en la capa de grava; en la cual se utiliza una varilla metálica graduada
(Figura 22).
El procedimiento para obtener el perfil del lecho de grava se describe seguidamente:
• Obtener planos detallados del filtro
• Dibujar un esquema en planta del filtro con la posición de las canaletas
de lavado y canales de desagüe bien acotados.
• Marcar en el esquema una serie de puntos acotados a lo largo y ancho
del filtro.
• Introducir la varilla en cada uno de estos puntos hasta tocar la grava.
• Dejar el nivel de agua 10 cm sobre el lecho para tomarlo de referencia y
• Llevar los datos a un plano y con ellos dibujar las curvas de nivel de 1 a 2 cm. De este modo puede estudiarse la posición exacta que tiene la grava dentro del filtro.
5.5.1.- Aplicación e importancia de la prueba
Los movimientos en el lecho de grava son causados por deficiencias: a) en el sistema de drenaje, b) cuando no se distribuye bien el agua de lavado, c) por aberturas muy rápidas de las válvulas de entrada del agua de
lavado y d) por entrada de aire en los drenes del filtro. (12)
Es elemental la realización de ésta prueba debido a que puede revelar posibles desperfectos en las unidades y un mal manejo de las válvulas por parte de los operarios.
Figura 22.-
5.6.- Expansión del lecho filtrante
El objetivo de la prueba consiste en determinar el porcentaje de aumento de espesor del lecho filtrante durante la operación de lavado.
El equipo a utilizar consiste en una varilla metálica con cajitas soldadas a distancia de 5 cm entre los bordes de las cajitas. (Ver Figura 23)
El procedimiento es el siguiente:
• Fijar la varilla dentro del filtro colocando el extremo inferior encima del lecho
filtrante.
• Proceder a efectuar el lavado normalmente.
• Medir la distancia entre las caja más alta que contenga arena y el extremo inferior
de la varilla (?h).
• Determinar la altura del lecho filtrante (h)
• Determinar el porcentaje de expansión del lecho filtrante:
100 × ∆
h h
5.6.1.-Aplicación e importancia de la prueba
La expansión del lecho filtrante es otro parámetro básico que debe observarse cuidadosamente durante el lavado.
La medida de la expansión del lecho filtrante está relacionada con la velocidad de lavado y el diámetro del medio granular. En filtros de diseño americano, con arena fina de 0.45-0.55 mm de diámetro efectivo, la
Figura 23.-
Equipo para medir la expansión de la arena durante el lavado
5.7.- Granulometría y espesor del lecho filtrante
El objetivo de la prueba es determinar el tamaño de los granos que componen una muestra dada y el espesor del medio filtrante
El material a utilizar es el siguiente:
• Un juego de mallas de la serie Tyler.
• Una vara metálica de ½” de diámetro
El procedimiento se detalla a continuación:
• Obtener, secar y pesar la muestra de material filtrante
• Se coloca la muestra en el juego de mallas Tyler en el recipiente superior
que los diversos granos pasen a través de tantas mallas como su tamaño se lo permita.
• Se pesan las porciones de muestra retenida en cada malla y se calculan
como porcentajes de la muestra total.
• Los valores obtenidos se dibujan en un papel logarítmico-probabilidades,
colocando los porcentajes en peso acumulado en el eje de las ordenadas (escala logarítmica) y el tamaño de los granos en mm en el eje de las abscisas (escala de probabilidades).
• Después de lavado el filtro, se introduce la varilla metálica de ½” de
diámetro hasta encontrar la capa de grava y se determina la longitud de la porción introducida de la varilla.
• Se repite esta operación en varios puntos del lecho
5.7.1.- Aplicación e importancia de la prueba
La granulometría del lecho cambia con el tiempo, en especial en la capa superior. Resulta por eso en ocasiones pertinente analizar esta última capa y a veces la totalidad del lecho.
Es muy importante el conocimiento del tamaño efectivo (Te) y el coeficiente de uniformidad (C.U) del material que esta compuesto el lecho filtrante. Su determinación periódica, por ejemplo (una vez al año o cada dos años), proporciona información que permite saber si se está perdiendo material en los lavados o si está ocurriendo un crecimiento de los granos del lecho filtrante como consecuencia de la mala remoción de la película
6.- RESULTADOS OBTENIDOS
Los filtros de la Planta Santa Luisa son lavados cada 48 horas (record de lavado). Se aprovechó el momento de lavado para realizar las pruebas, con el objetivo de no desperdiciar el agua utilizada para el lavado de las unidades, sobre todo en la época de verano, donde los caudales de entrada a la Planta son relativamente bajos, obligando a que ésta trabaje por debajo del caudal de diseño.
La Planta Santa Luisa cuenta con seis unidades de filtración. Se evaluaron cinco en total, por encontrarse el filtro No.1 fuera de operación en el momento de realizar las pruebas. El lecho filtrante fue retirado de la unidad, a finales del año 2000, por el grado de deterioro en que se
encontraba. Actualmente se esta llevando a cabo los trabajos pertinentes a su rehabilitación.
Con forme a procedimientos antes descritos, se obtuvieron resultados de cada una de las pruebas destinadas a la evaluación de las unidades de filtración, las cuales se detallan a continuación.
6.1.- Velocidad y caudal de filtración
Se efectuaron tres mediciones por cada unidad de filtración. Los resultados se muestran en las Tabla 2 -6. La Tabla 7.- contiene los promedios de velocidad de filtración por cada unidad.
La siguiente simbología fue utilizada para el cálculo de la velocidad de filtración:
Af : Área de la caja de cada uno de los filtro (m2) ∗
Af: Área de cada uno de los filtro (m2) °
H: Nivel de descenso del agua (m)
Tf: Tiempo ne cesario para que el nivel de agua baje una marca de la regla a la siguiente (s)
∀f: Volumen filtrado (m3)
Vf: Velocidad de filtración (m3/m2/d)
Q: Caudal de entrada a la Planta en el momento de la prueba (l/s)
∗ Af = 57.8 m2 : 8.50 x 6.80 m
°Af = 45.05 m2 a 8.50 x 5.30 m
Tabla 2.- Velocidad de Filtración Filtro No.2 Fecha Hora Af (m2) Aƒ (m2) H (m) Tf (s) ∀f (m3) Vf (m3/m2/d) Q (l/s) 23/02/01 10:00 am 57.8 45.05 10 187.2 5.78 59.2 241 05/03/01 10:00 am 57.8 45.05 10 72.6 5.78 152.7 335 24/03/01 2:00 pm 57.8 45.05 10 62.4 5.78 177.6 241 Tabla 3.- Velocidad de Filtración Filtro No.3 Fecha Hora Af (m2) Aƒ (m2) H (m) Tf (s) ∀f (m3) Vf (m3/m2/d) Q (l/s) 23/02/01 10:00 am 57.8 45.05 10 86.4 5.78 128.3 241 09/03/01 10:00 am 57.8 45.05 10 79.8 5.78 138.9 248 24/03/01 11:00 am 57.8 45.05 10 66 5.78 168 241 Tabla 4.- Velocidad de Filtración Filtro No.4 Fecha Hora Af (m2) Aƒ (m2) H (m) Tf (s) ∀f (m3) Vf (m3/m2/d) Q (l/s) 12/03/01 8:00 am 57.8 45.05 10 89.4 5.78 124 264 17/03/01 10:00 am 57.8 45.05 10 70.8 5.78 156.6 315 21/03/01 10:30 am 57.8 45.05 10 64.2 5.78 172.7 335
Tabla 5.- Velocidad de Filtración Filtro No.5 Fecha Hora Af (m2) Aƒ (m2) H (m) Tf (s) ∀f (m3) Vf (m3/m2/d) Q (l/s) 06/03/01 11:45 am 57.8 45.05 10 75.6 5.78 146.6 335 12/03/01 9:00 am 57.8 45.05 10 90 5.78 123.2 294 21/03/01 3:00 pm 57.8 45.05 10 67.2 5.78 82.5 245 Tabla 6.- Velocidad de Filtración Filtro No.6 Fecha Hora Af (m2) Aƒ (m2) H (m) Tf (s) ∀f (m3) Vf (m3/m2/d) Q (l/s) 24/02/01 10:00 am 57.8 45.05 10 31 5.78 357.6 234 28/02/01 10:00 am 57.8 45.05 10 63 5.78 176 349 10/03/01 10:00 am 57.8 45.05 10 89.4 5.78 124 295
Tabla 7.-
Promedio de Velocidad de Filtración
Filtro No. 2* 3 4 5 6* Velocidad de filtración (m3/m2/d) 166 145 151 117 150 Caudal (l/s) 288 243 304 291 322*Para el cálculo del promedio de velocidad de filtración se omitieron los datos extremos : 59.2 y 357.6 m3/m2/d para los filtro No.2 y 6 respectivamente.
Con los 15 datos obtenidos, se efectuó el análisis estadístico, el cual se muestra en el Gráfico 24.-
Figura 24.-
Gráfico de Velocidad de Filtración. Febrero- Marzo 2001
0 50 100 150 200 250 300 350 400 23-2-01 25-2-01 27-2-01 1-3-01 3-3-01 5-3-01 7-3-01 9-3-01 11-3-01 13-3-01 15-3-01 17-3-01 19-3-01 21-3-01 23-3-01 Días Velocidad de filtración (Vf) m 3 /m 2 /día Velocidad de filtración promedio 153 m3/m2/dia S=65.9 S=Desviación Estandar
El gráfico anterior indica que el 80% de los datos de la velocidad de filtración, fluctúan en un rango equivalente a la desviación estándar, alrededor de la media.
6.2.- Velocidad de lavado del filtro
Los resultados de la velocidad de filtración de cada una de las unidades, están contenidas en la Tabla 8.- Tabla 8.- Velocidad de lavado Fecha Filtro Número Distancia H (m) Tiempo de ascenso del agua T (min) Velocidad de lavado VL (m/min) Caudal de lavado Q (l/s) 05/03/01 2 0.6 0.6 1.0 85.9 01/03/01 3 0.6 1.4 0.4 37.4 06/03/01 4 0.6 0.8 0.8 70.7 10/03/01 5 0.6 0.5 1.3 113.6 10/03/01 6 0.6 0.6 1.1 96.4
6.3.-Duración del proceso de lavado
La Tabla 9.-, contiene los datos de turbiedad obtenidos en el momento del retrolavado de los cinco filtros. Los datos de turbiedad fueron graficados, dando origen a la Figura 25.-
Tabla 9.-
Turbiedades (UNT) medidas en el proceso del retrolavado Tiempo (min) Filtro No2 Filtro No.3 Filtro No.4 Filtro No.5 Filtro No.6 0 21.5 49 60.1 34.2 12.8 1 20.8 44.4 59.4 18 10.5 2 2.78 46.2 52 10.3 10.2 3 4.65 40.7 35.7 7.87 9.26 4 0.89 35.5 19.5 6.19 9.09 5 0.85 24.2 13.5 4.44 8.63 6 0.64 17.7 10.6 4.15 8.55 7 0.71 15.1 7.24 4.1 8 8 0.73 10.7 6.89 3.94 7.81 9 1.07 8.22 6.40 2.79 8.04 10 1.01 10.5 5.54 3.33 8.11 11 0.59 9.18 4.54 3.35 8.1 12 0.71 7.86 4.36 3.19 7.87 13 0.54 7.60 3.82 3.35 7.27 14 0.62 5.44 3.7 2.45 7.28 15 1.33 5.33 5.27 2.58 8.86
Figura 25.-
Gráfico Duración del proceso de lavado
6.4.- Bolas de barro
La Tabla 10.- muestra los resultados del ensayo del contenido de bolas de barro en los cinco filtros en estudio. El análisis fue realizado por el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Tiempo (min)
Turbiedad de agua de lavado
Tabla 10.-
Porcentaje de Bolas de barro
en las unidades de filtración
Filtro Número Volumen de muestra vm (ml) Incremento de volumen en la probeta ∆v (ml) % de bolas de lodo (∆v/vm) x 100 2 500 0 0 3 500 0 0 4 500 0 0 5 500 0 0 6 500 0 0
Fuente: Centro de Investigaciones de Ingeniería USAC. 24 de Mayo 2001
6.5.-Perfil del lecho de grava
La unidad de filtración de la Planta Santa Luisa cuenta con cinco canaletas de lavado. Los bordes de éstas se tomaron como guía para sondear 60 puntos por sección en cada filtro.
Se marcaron los puntos como se indican en las Figuras 26-30 y se midieron los espesores de arena, los resultados sirvieron de base para obtener la topografía del lecho de arena, Figuras 31-36
6.6.- Expansión del lecho filtrante
La ubicación del equipo utilizado para la medición de la expansión, se
muestran en las Figuras 26-30-. La Tabla 11.- contiene el porcentaje de expansión en cada unidad.
Tabla 11.-
Expansión del lecho filtrante
Fecha No. Filtro
Altura de arena en el equipo (cm) Altura de arena en el filtro (cm) Porcentaje de expansión ( % ) 23/02/01 2 58 50 116 09/03/01 3 49 23 213 17/03/01 4 68 29 234 12/03/01 5 63 31 203 10/03/01 6 80 28 286
6.7.-Granulometría y espesor del lecho filtrante
La Tabla 12 contiene los resultados del análisis granulométrico de la
arena de los cinco filtros en operación. Con los datos contenidos en la Tabla
12.- se obtienen las curvas granulométricas de la arena,Figura 36
El análisis fue realizado por el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala
Tabla 12.-
Porcentaje que pasa de arena
(Acumulado) Malla Número Apertura (mm) Filtro No.2 Filtro No.3 Filtro No.4 Filtro No.5 Filtro No.6 4 4.76 ---- 98.84 100 100 99.82 8 2.38 ---- 97.55 99.94 99.68 99.18 10 2.00 99.96 96.97 99.82 99.40 98.88 12 1.68 99.82 96.35 99.72 99.00 98.51 14 1.41 97.41 95.75 99.50 98.64 98.21 16 1.19 93.90 95.47 99.40 98.48 98.07 20 0.83 55.76 56.30 82.14 77.30 78 30 0.59 21.76 12.78 33.32 30.20 30 40 0.42 6.04 2.03 4.92 4.28 2.81 50 0.29 0.42 0.12 0.08 0.06 0.08 60 0.25 0.12 0.08 0.06 0.04 0.06 80 0.18 0 0.04 --- 0.01 0.04 100 0.15 --- 0 --- 0 --- 120 0.12 --- --- --- --- ---Fuente: Centro de Investigaciones de Ingeniería USAC. 24 de Mayo 2001
Figura 36.-
Curva granulométrica del lecho filtrante
Fuente: Centro de Investigaciones de Ingeniería USAC. 24 de Mayo 2001
El diámetro efectivo (de) y el Coeficiente de Uniformidad (C.U), se obtienen
de la curva granulométrica, Figura 36.- , determinándose los tamaños correspondientes al 10 y 60%.
El diámetro efectivo (de) corresponde al 10% que pasa. El Coeficiente de Uniformidad (C.U), se obtiene dividiendo el porcentaje que pasa en un 60% por el
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.1 1 10 Diametro (mm) % Que pasa
diámetro efectivo. La Tabla 13.- contiene el diámetro efectivo (de) y el coeficiente de uniformidad (C.U) del lecho filtrante de cada unidad.
Tabla 13.-
Diámetro efectivo (de )y coeficiente de uniformidad (C.U) de la arena Filtro Número Diámetro efectivo (de) (mm) Coeficiente de uniformidad. C.U 2 0.46 1.95 3 0.54 1.57 4 0.45 1.60 5 0.46 1.59 6 0.50 1.50
En las Figuras 26-30., se observan los datos de los espesores del lecho
filtrante en diferentes puntos de cada unidad. La Tabla 14.- muestra el promedio ponderado de los espesores de arena.
Tabla 14.-
Espesor promedio de la arena
Filtro Numero Espesor promedio de arena (mm) 2 47 3 23 4 29 5 31 6 22El área de cada filtro se dividió en sub-áreas. Se determinó el
promedio aritmético de los espesores de arena contenida en cada sub -área, los cuales se ponderan con el área total de cada unidad
6.8.- Determinación de Hierro y Manganeso en arena del lecho filtrante
El contenido de hierro y manganeso de la arena, representativa del lecho filtrante de las unidades, se obtuvo del Laboratorio de Soluciones Analíticas. Conjuntamente se analizó una muestra de arena sin utilizar.
El procedimiento utilizado para el análisis fue obtenido del Manual de Laboratorio, titulado: Métodos para análisis de Plantas, Suelos, Aguas y Muestras Ambientales. Robert A. Isaac/William C.Jonson Jr.1984. pág.156-159.
La Tabla 15.-contiene los resultados del porcentaje de hierro y manganeso en las muestras de arena.
Tabla 15.-
Porcentaje de hierro y manganeso en arena
Fecha Filtro número Hierro (Fe) % Manganeso (Mn) % 08/02/01 2 3.6 2.1 08/02/01 3 3.6 1.3 08/02/01 4 4.1 2.9 08/02/01 5 4.0 2.6 08/02/01 6 3.5 3.4
21/04/01 Arena sin utilizar 2.8057 0.0264
Fuente: Laborat orio de Soluciones Analíticas Guatemala, 08/01/2001
7.- INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Los resultados obtenidos de cada prueba se compararon con los parámetros de diseño contenidos en el Manual de Operación y Mantenimiento elaborados por Hitachi Plant Engineering & Construction Co., Ltd. y Kyowa Engineering Consultants Co.,Ltd. Los rangos recomendados por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), serán comparados con los parámetros de diseño contenidos en dicho manual.
7.1.- Velocidad y caudal de filtración
Las unidades fueron diseñadas con una tasa de filtración de 150
m3/m2/día, estando dentro del rango propuesto por El Centro Panamericano
de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS) de 120-240
m3/m2/día, para filtración rápida de tasa constante y altura variable.
Del análisis estadístico se obtuvo una tasa de filtración promedio de 153
m3/m2/d, en las cinco unidades. Omitimos los dos valores extremos 59.2 y 357.5
m3/m2/d el promedio se reduce a 144 m3/m2/d, encontrándose por debajo del caudal
de diseño (150 m3/m2/d).
En el promedio de las velocidades de filtración de cada unidad (Ver Tabla 7) se observa que el filtro.2 resultó tener en promedio la máxima velocidad de
filtración: 166 m3/m3/d y el filtro 5 la menor:117m3/m2/d. El lecho filtrante de la
unidad 2 fue recientemente sustituida por arena nueva, lo cual explica que dicho filtro presente la velocidad de filtración en comparación con el resto de las unidades.
