ABASTECIMIENTO DE AGUA FILTROS LENTOS Y RAPIDOS
FILTROS LENTOS Generalidades La filtración lenta, esto es ratas menores de 12m3/m2/día, precedió a la filtración rápida. Sin embargo, en los países en desarrollo, los filtros lentos, en zonas rurales principalmente, pueden tener ventajas definidas sobre los filtros rápidos, cuando: 1.- La turbiedad del agua cruda sobrepasa 100 U.J. Turbiedades menores de 50 U.J. son preferibles pero se pueden aceptar por pocos días al año turbiedades de 100 U.J. 2.- El precio de la tierra es bajo. Los filtros lentos ocupan aproximadamente un área de 20 a 40 veces mayor que los rápidos. 3.- el contenido de color no es alto (mayor a 50 ppm). El color es removido sólo bajo proporción por los filtros lentos (no hay coagulación previa). 4.- Se requiere depender más de la remoción bacterial producida por los filtros, que la desinfección producida por el cloro. 5.-No existe en el lugar la capacidad técnica para operar sistemas completos de coagulación filtración.
DESCRIPCION GENERAL Consiste en una caja rectangular o circular a la cual se le coloca de 0.90 m a 1.20 m de arena fina sobre 0.40 – 0.45 m de grava gruesa. Encima del lecho filtrante se deja una capa de agua de 1.00 m a 1.50 m y debajo de la grava se colocan un sistema de drenajes apropiados.
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Rata de flujo
La rata de flujo varía entre 2 y 14/m3/m2/día. Mas frecuentemente entre 6-9 m3/m2/día Lecho filtrante El lecho más fino debe ser de 1.59 mm ó 2.12 mm preferiblemente.
Esta constituida por un lecho de 0.90 a 1.20 m de franos finos de 0.3 a 0.35 mm de tamaño efectivo y 1.5 a 3.0 de coeficiente de uniformidad, más frecuentemente de 1.8 a 2.0. la arena se coloca sobre la grava por capas. Al no existir lavado ascendente no existe estratificación y los granos finos se mezclan con los gruesos, lo que hace que la porosidad sea menor que en los filtros rápidos.
NUMERO DE UNIDADES Por lo menos debe haber dos unidades, de modo que cuando se ponga fuera de servicio una, pueda trabajarse con la otra. Debe por tanto considerarse una capacidad adicional de reserva, como lo indica la siguiente tabla:
Población
Número de
Unidades de
unidades
reserva
> 2000
2
100%
2000 – 10000
3
50%
10000 – 60000
4
33%
60000 – 100000
5
25%
Esto implica que cuando se diseña para pequeñas poblaciones, un filtro debe ser capaz de tratar la totalidad del flujo sin sobrecarga, para mantener una capacidad de reserva del 100%. Para poblaciones mayores esta reserva puede ser menor. SISTEMA DE DRENAJE Los sistemas de drenaje del filtro lento pueden ser de diferentes tipos, principalmente: 1.- Ladrillos tendidos de canto, con otros ladrillos encima tendidos de plano dejando un espaciamiento de 1 cm entre los lados. El conjunto drena hacia un canal colector central, que recolecta todo el flujo del filtro. 2.- Bloques de concreto poroso en forma de puente, que confluye también hacia un canal central. 3.- Tuberías de drenaje perforadas con orificios mayores de 1” (2.54cm). estas tuberías pueden desembocar en forma de espina de pescado a un conducto o tubería central o a un pozo lateral con una pendiente de 1% al 2%.
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FILTROS RAPIDOS
DESCRIPCION GENERAL En la actualidad el filtro más usado en plantas de tratamiento municipales es el de arena sola, que trabaja por gravedad con flujo descendente. Esencialmente consta de un tanque rectangular de concreto de 3.5 a 5 mts de profundidad total, en el cual se coloca un lecho de arena y grava sobre un sistema adecuado de drenaje. El flujo pasa por la parte superior del tanque cuya profundidad se suele hacer de 0.50 a 2.00 mts, a los drenes del fondo atravesando el medio filtrante. Como al cabo de cierto número de horas de servicio el filtro se obstruye, se hace necesario lavarlo invirtiendo el sentido del flujo, por medio de agua que se inyecta a presión en los drenes y se recoge en las canaletas de lavado colocadas sobre la superficie de la arena. Esta operación dura de 5 a 15 minutos, después de la cual el filtro vuelve a su operación normal.
Rata de filtración o carga superficial. La rata normal de filtración de 2 gpm (117.5 m3/m2/día) se le atribuye a George Fuller. a) Después en remoción bacterial de los filtros operados a 5 gpm es igual a la de los filtros operados a 2 gpm. Buena reducción de bacterias coliformes se observó con los filtros de alta rata, aun cuando hubiera poco cloro residual en el agua filtrada antes de la postcloración. b) La turbiedad del agua filtrada a 4-5 gpm (240-300 m3/m2/día) no es apreciablemente mas grande que la que obtiene con 2 gpm (120 m3/m2/día). c) El comportamiento del filtro, entendiéndose como tal el volumen de agua filtrada por pie de incremento de perdida de carga, es mayor para los filtros de alta rata que para los de 2 gpm. Este último punto se comprende si se considera que a medida que se filtra a mayor velocidad, la carrera de filtración se acorta proporcionalmente, pero la cantidad de agua
ABASTECIMIENTO DE AGUA producida entre lavado y lavado se aumenta. En otras palabras , lo que debe considerarse es el volumen total de agua que se puede obtener durante el periodo de servicio del filtro. Se puede obtener el mismo volumen con baja rata y largas carreras o con altas ratas y cortas carreras. PRODUCCIÓN DE AGUA PARA DIFERENTES CARRERAS Y RATAS DE FILTRACIÓN.
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PERDIDA DE CARGA
La máxima rata de filtración para un agua dada es funci ón de: La calidad del agua que quiere obtener La velocidad con que se desarrolla la p érdida de carga en el filtro. Ambos parámetros dependen de la clase de floc afluente (si es duro o blando) y del tamaño y tipo del medio filtrante. Si el floc es duro y el medio es fino (E< 0.55 mm), casi toda la perdida de carga se presenta en los primeros 5 cm para ratas bajas (120 m3/m2/d ía) y se distribuye un poco más para ratas altas (<240 m3/m2/d ía)
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Perdidas de carga en lecho filtrante
Perdida de carga cuando los granos son esf éricos y de diámetro uniforme Lv (1 – Po)² 6 ² ho = f ----- v ----------- --------g Po³ Dc
Donde: ho= Pérdida de carga V = Velocidad del flujo en el conducto L = Longitud del conducto o profundidad del lecho v = Viscosidad cinemática f = constante adimensional =5 Po = Porosidad Dc= Diámetro del grano Perdida de carga cuando las part ículas no son esf éricas, pero son uniformes (se introduce un coeficiente de esfericidad )
Lv
(1 – Po)²
ho = f ----- v ---------g
Po³
6
²
------Ce Dc
Donde: ho= Pérdida de carga V = Velocidad del flujo en el conducto L = Longitud del conducto o profundidad del lecho v = Viscosidad cinemática f = constante adimensional =5 Po = Porosidad Dc= Diámetro del grano Ce= Coeficiente de esfericidad
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COEFICIENTE DE ESFERICIDAD
MATERIAL Vidrio molido Carbón pulverizado Polvo de carbón natural (hasta 3/8”) Hojilla de mica Arena (promedio de varios tipos) Arena cuarcítica (aristas afiladas) Arena cuarcítica (plana y afilada) Arena de Ottawa (casi esférica) Arena redondeada Arena angular Esferas
Ce 0.65 0.73 0.65 0.28 0.75 0.66 0.43 0.95 0.82 0.73 1.00
Perdida de carga cuando las part ículas no son esf éricas, ni uniformes ni están estratificados en el lecho (filtros lentos) . Se considera la dispersi ón de las part ículas.
Lv ho = f -----g
(1 – Po)² v
-----------Po³
6
i
----- ∑ Ce
i=1
Xi
²
------
di
Donde: ho= Pérdida de carga V = Velocidad del flujo en el conducto L = Longitud del conducto o profundidad del lecho v = Viscosidad cinemática f = constante adimensional =5 Po = Porosidad Dc= Diámetro del grano Ce= Coeficiente de esfericidad Xi = % de arena retenida entre dos cedazos consecutivos Di= Diámetro promedio de estos dos cedazos EJERCICIO #1 Un lecho filtrante esta constituido por bolitas esferoidales de Dc = 0.0005 m, Po= 0.40, =0.60. La temperatura del agua es de 20 ⁰C y la velocidad de filtración es de 2 gpm/pie ² . Cuál será la pérdida de carga del lecho?
EJERCICIO # 2 DATOS ANTERIORES CON ARENA PROMEDIO
ABASTECIMIENTO DE AGUA EJERCICIO #3 Una arena para un filtro lento tiene las características anotadas en el cuadro que sigue. La velocidad de filtración es v=0.0108 cm/seg; L=75 cm, Po=0.394. Temperatura 4 ⁰C, v = 0.0157. Los granos pueden considerarse casi esf éricos. Determinar los valores de Xi/di y la perdida de carga. Cálculo de la pérdida de carga de la arena sin estratificar No. Tamiz (serie americana) 14-20 20-28 28-32 32-35 35-42 42-48 48-60 60-65 65-100
Di (cms)
Xi
0.1000 0.070 0.054 0.046 0.038 0.032 0.027 0.023 0.018
0.0092 0.0470 0.1467 0.1790 0.1750 0.1980 0.1540 0.0710 0.0200
Xi/di
∑
