CP 01 Filtracion Rapida

Curso: Potabilización de agua II

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Filtración La filtración es uno de los procesos unitarios usad us ados os en el tra trata tamie mient ntoo de ag agua ua po pota table ble Lass pa La part rtíc ícul ulas as re remo moci cion onad adas as po porr es esto toss pr proc oces esos os pueden esta tarr pre ressentes en el agua de origen o pueden generase en los procesos de tratamiento. Los ejemplos de las partículas incluyen las partículas de arcilla y fango, mic icrroorganis ism mos (bacteria iass, viru russ, y quistes protoz pro tozoic oicos) os),, sus sustan tancia ciass colo coloida idales les y pre precip cipitad itados os humi hu mico coss y ot otra rass pa part rtíc ícul ulas as na natu tura rale less or orgá gáni nica cas, s, procedentes del deterioro de la vegetación; precip ipiitados de aluminio y hierro uti tilliz izaados en coag co agul ulac ación ión;; pr prec ecip ipititad ados os de ab abla land ndam amie ient ntoo a la call y pr ca prec ecip ipita itado doss de hi hierr erroo y ma mang ngan anes esoo

Cryptosporidium

Giardia Lambia

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Unidades de Filtración En Sudamérica los filtros pr edominantes son los siguientes: l . Rápidos con lecho de un solo material. a. De arena sola fina o gruesa. b. De antracita sola. 2. Rápidos con lecho múltiple. a. De antracita y arena. b. De antracita, arena y granate. 3. Rápidos con flujo ascendente. 4. De flujo mixto (parte ascendente y parte descendente).

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Filtración La filtración es uno de los procesos unitarios usad us ados os en el tra trata tamie mient ntoo de ag agua ua po pota table ble Lass pa La part rtíc ícul ulas as re remo moci cion onad adas as po porr es esto toss pr proc oces esos os pueden esta tarr pre ressentes en el agua de origen o pueden generase en los procesos de tratamiento. Los ejemplos de las partículas incluyen las partículas de arcilla y fango, mic icrroorganis ism mos (bacteria iass, viru russ, y quistes protoz pro tozoic oicos) os),, sus sustan tancia ciass colo coloida idales les y pre precip cipitad itados os humi hu mico coss y ot otra rass pa part rtíc ícul ulas as na natu tura rale less or orgá gáni nica cas, s, procedentes del deterioro de la vegetación; precip ipiitados de aluminio y hierro uti tilliz izaados en coag co agul ulac ación ión;; pr prec ecip ipititad ados os de ab abla land ndam amie ient ntoo a la call y pr ca prec ecip ipita itado doss de hi hierr erroo y ma mang ngan anes esoo

Cryptosporidium

Giardia Lambia

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Unidades de Filtración En Sudamérica los filtros pr edominantes son los siguientes: l . Rápidos con lecho de un solo material. a. De arena sola fina o gruesa. b. De antracita sola. 2. Rápidos con lecho múltiple. a. De antracita y arena. b. De antracita, arena y granate. 3. Rápidos con flujo ascendente. 4. De flujo mixto (parte ascendente y parte descendente).

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Unidades de Filtración

Los más comunes en plantas de tratamiento municipales son los de flujo Descendente como: 1. Filtros rápidos de arena sola o antracita antracita sola (normales (normales o profundos) 2. Filtros de lecho mixto: mixto: de arena y antracita o arena. antracita antracita y granate 3. Filt Filtros ros lentos lentos biológico biológicos s convencion convencionales. ales.

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Unidades de Filtración Una comparación entre las características de diseño de estos diferente tipos de filtros se muestra en la siguiente tabla:

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Los filtro de lechos mixto de arena y antracita deben preferirse para la mayoría de las aguas, sobre todo de arena sola o antracita sola, aunque en la actualidad se están usando los filtros profundos de arena gruesa o antracita gruesa, para lavado con aire y agua

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Filtros rápidos convencionales

Los filtros convencionales esencialmente constan de un tanque rectangular de concreto de 3. 5 a 5 m de profundidad total, en el cual se coloca un lecho de arena y grava sobre un sistema adecuado de drenaje. El flujo pasa de la parte superior del tanque, cuya profundidad se suele hacer de 0.50 a 2.00 m, a los drenes del fondo atravesando el medio filtrante.

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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.

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El sistema consta de cuatro flujos básicamente: 1. Un flujo de entrada del agua decantada al filtro. 2. Un flujo de salida del agua ya filtrada. 3. Un flujo de entrada del agua de lavado al filtro para hacer la limpieza del medio filtrante. 4. Un flujo de desagüe del agua sucia proveniente del lavado de la unidad. 5. Un flujo de relavado para eliminar el primer filtrado cuya calidad es generalmente mala.

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Filtros rápidos convencionales Los más importantes parámetros por considerar en el diseño de los filtros son: 1.

Medio filtrante.

2.

Rata o velocidad de filtración.

3.

Pérdida de carga.

4.

Profundidad de la capa de agua sobre el filtro.

5.

Formas de lavado del filtro.

6.

Sistemas de recolección de agua de lavado .

7.

Sistemas de drenaje .

8.

Sistema de control de los filtros .

9.

Configuración de los filtros.

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Filtros rápidos convencionales 

Medio filtrante

Arena

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La arena que se usa en los filtros rápidos tiene las siguientes especificaciones: •

El diámetro es de menos de 2.0 mm.

•

Está compuesta de material silíceo con una dureza de 7 en la escala de Moh

•

El peso específico no menor de 2.

•

Deberá estar limpia: sin barro ni materia orgánica, y no más del 1% podrá ser material laminar o micáceo.

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Medio filtrante

Arena

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La arena que se usa en los filtros rápidos tiene las siguientes especificaciones: •

La solubilidad en HCL al 40% durante 24 horas tiene que ser menor del 5%

•

La pérdida por ignición menor del 0.7%.

•

Se puede especificar tamaño uniforme o de desuniforme . Se entiende por uniforme la arena que queda recogida entre dos cedazos consecutivos (Cu=1.1).

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Medio filtrante

Arena

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Los diseñadores europeos suelen preferir la arena con las siguientes características:

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•

Tamaño gruesos: 1.0 a 2.0 mm de diámetro.

•

Profundidad del entre 0.90 1.20 m. e inclusive 1.8 m.

y


Medio filtrante

Arena

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La práctica americana, en cambio, es emplear arena fina •

Coeficiente de uniformidad entre 1.50 y 1.70

•

Tamaño efectivo entre 0.40 y 0.70, con preferencia entre 0.45 y 0.55.

•

No más del 1% debe ser mayor de 2 mm o menor de 0.3 mm.

•

La profundidad del lecho se hace entre 0.60 y 0.75 m.

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Medio filtrante

Arena

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Cuando se lava el lecho filtrante con flujo ascendente, capaz de producir expansión del material. La arena se estratifica, quedando los granos más gruesos en la parte inferior y los más fino en la superior. Estos últimos son lo que crean mayor resistencia al paso del agua y, por eso, deben removerse cuando son menores de 0.3 mm.

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Medio filtrante

Arena

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La porosidad de la arena se relaciona con su forma: •

•

Las arenas redondeadas tienen porosidades que varían entre 42% y 45% . Las arenas angulares, porosidades mayores, por lo general entre 44% y 47%.

Comúnmente, a menor porosidad mejor efluente se obtiene, pero la pérdida de carga aumenta más rápidamente debido a una menor capacidad de almacenaje de partículas en los poros.

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Medio filtrante

Antracita

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Especificaciones: •

Debe tener una dureza de 2.7 a mayor en la escala de Moh

•

Su peso específico no debe ser menor de 1.40.

•

EL contenido de carbón libre no debe ser menor del 85% del peso,

•

La solubilidad en HCL al 40% durante 24 horas debe ser inferior al 5%

•

No más del 2% debe perderse en una solución al 1% de NaOH.

•

El máximo porcentaje de partículas planas debe ser del 30%

•

Su porosidad varia entre el 56% y el 60% y su capacidad de retención de material es mayor que la de la arena.

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Medio filtrante

Antracita

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Los tamaños efectivos, entre 0.6 y 0.8, se utilizan como único lecho filtrante. Los tamaños entre 0.8 y 1.4 mm, cuando se la utiliza en los lechos múltiples de arena y antracita o arena, antracita y granate.

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Medio filtrante 

Grava

La grava se la coloca sobre el sistema de drenaje, cuando éste lo requiere y tiene un doble propósito: • Servir de soporte al lecho de arena durante la operación de filtrado para evitar que ésta se escape por los drenes . • Distribuir el agua de lavado.

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Medio filtrante 

Grava

El tipo y tamaño del lecho de grava depende del sistema de drenaje que se use. Para drenajes con orificio menores de un milímetro (boquillas, placas porosas) no se usa grava sino solamente arena "torpedo" de 4 mm de diámetro (tamices de 6 a 4).

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Medio filtrante 

Grava

Para drenaje con orificio entre 1-5 mm (prefabricado, tipo Leopold) se usan 0.20 a 0.30 m de gravas:

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Medio filtrante 

Grava

Para drenajes con orificio· mayores de 5 mm (falsos fondo, tunerías perforadas) se usan de 40 a 45 cm de grava, así:

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Medio filtrante 

Grava


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Medio filtrante

Características

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En los medios de arena co nvencionales, la permeabilidad aumenta con la profundidad del filtro.

En estas condiciones los granos más pequeños queda n arriba y los más grandes abajo. Esto significa que a medida que e l floc penetra dentro del lecho, encuentra poros más y más grandes por donde puede pasar con más facilidad.

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Medio filtrante

Características

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C omo a l emplear un solo tipo d e material granular esto no es posible, pues el flujo de lavado lo estratifica en sentido co ntrario, se pensó en usar medios de diferente: densida des de manera que los granos gruesos fueran de un material poc o de nso pa ra q ue el flujo ascendente los depositará encima de los granos finos cuya densida d era mucho mayor.

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Tasa de filtración

Se atribuye a George Fuller haber fijado en 1898 lo que hoy se conoce como Tasa normal de filtración de 2 gpm/p 2 (117.5 m 3/m2/d) Los experimentos fueron realizados en la Planta de Tratamiento de Lousville (USA)) Segall y Okum, trabajando con la Planta de Chapel Hill en la universidad de North Carolina (USA), encontraron que con flujos variables desde 60 m 3/m2/d hasta 235 m 3/m2/d, ni la tasa empleada, ni la turbiedad del afluente, afectaron la calidad del efluente. La arena usada tenía E = 0.57 mm, Cu = 1.38, gravedad específica de 2.67 y razón de porosidad de 0.4. Sólo cuando llegaron a valores de 440 m 3/m2/d (3.75 veces la tasa convencional), hallaron que la turbiedad del afluente afectaba por completo el trabajo del filtro.

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Tasa de filtración Los experimentos realizados durante tres años por Brown ( 1955) en la planta de tratamiento de Durham dieron los resultados siguiente :

La. arenas de los filtros tenían E= 0.55, Cu= 1.4 - 1 8, profundidad del lecho 62.5 cm Estos datos indican que la mejor tasa fue la de 3 gpm/p 2 (176.25 m3/m2/d) porque dio la máxima economía de agua de lavado. La calidad de lo tres filtros fue prácticamente la misma.

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Tasa de filtración

Si un filtro que trabaja con 300 m3/m2/d se lava cada 24 horas, la producción sería del 98% (2% se usaría en el lavado), si el filtro en cambio trabaja con 120 m3/m2/d se necesitarían 60 horas para producir la misma cantidad de agua.

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Tasa de filtración

Para cada carga superficial de filtración la producción aumenta con la carrera hasta un límite en que se hace asintótica a la línea del 100%. Para valores mayores de 300 m3/m2/d , carreras mayores de 20 hora. (véase figura IX-7) aumentan la producción en menos del 0.5%.


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Pérdida de carga

La máxima tasa de filtración para un agua dada es función de: 1. La calidad de agua que se quiere obtener. 2. La velocidad con que se desarrolla la pérdida 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.

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Pérdida de carga

Si el floc es duro y el medio es fino (E ≤ 0.65 mm), casi toda la pérdida de carga se presenta en los primeros 20 cm para ratas bajas (120 m3/m2/d) y se distribuye un poco más para ratas altas ( 240 m3/m2/d)


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Pérdida de carga

Las ratas altas tienen la ventaja de que incluyen una penetración más profunda, pero pueden desmejorar la calidad del efluente especialmente cuando el floc es blando, pues éste podría romperse dentro del lecho y salir en el agua filtrada. (Véase la figura IX-9).

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Filtros rápidos convenciona convencionales les

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Pérdida de carga 

Pérdida de carga negativa

Al depositarse el floc en las las dife difere renntes tes capa apas del del medio filtrante, la velo veloci cida dadd del del fluj flujoo en los los inte inters rstiticcios ios se aum aumenta enta hasta producir una disminución de la presión en el líquido, que que fluy fluyee entr entree los los poro poross del medio medio granu granular lar..

Filtros rápidos convenciona convencionales les

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Pérdida de carga 

Pérdida de carga negativa

La importancia de la disminución de presión en el filtro radica en el hecho de que qu e cu cuan ando do el ag agua ua es está tá sa satu tura rada da de ai aire re,, cua uallqu quie ierr di dis smin inuc uciión de la pr pre esió ión n en el líqu lí quid ido, o, li libe bera ra bu burb rbuj ujas as qu que e se ad adhi hier eren en a los

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Pz = (P (Px + x) x) - h

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Profundidad de la capa de agua sobre el filtro

De lo anterior se deduce que cuanto menor sea la capa de agua Px que va sobre el medi me dio o fi filt ltra rant nte, e, má más s fá fáci cilm lmen ente te se ob obti tien enen en presiones negativas en el filtro y mayor probabilidad existe de que se presenten obstru obs trucc ccion iones es por air aire. e. Tradicionalmente, por eso, los filtros se construyen con capas de agua de 1.40 a 1.80 1. 80 m. Algunos diseñador es, sin embargo dejan profundidades de sólo 0.50 m lo que suele traer probl problemas emas..


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Ensayos con filtros pilotos realizado, en la planta de trat tratam amie ient nto o de la Atar Atarjjea, ea, los los cuale uales s traba rabaja jan n con capas apas de agua sobre el lecho de 0.50 0.60 m, demostraron que la obstrucción por aire acompañada de una rápida dism dismin inuc ució ión n de la prod produc ucci ción ón del filtro, empezaba a presentarse a partir del momento en que Px + x o dis distanc ancia des desde la super uperfficie icie del agua hasta el respectivo piezómetro, se hacía menor que que la pérd pérdid ida a de carg carga a h.

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La disminución del flujo alcanzaba hasta un 40% . Los med ediios fi filltr tra ant ntes es de ar are ena qu que e tenían menor porosidad, se obst ob stru ruía ían n má más s rá rápi pida dame ment nte, e, (a las 24 horas de iniciada la operación) que los de arena y antracita cuya porosidad era mayor. A las 48 horas por lo general, la cám ámar ara a inf nfe eri rior or for orm mad ada a po porr el falso fondo del filtro se había vac acia iado do,, no ob obs sta tan nte que és éstte continuab cont inuaba a traba trabajando jando..


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Para sa Para salv lvar ar es esta ta di difi ficu cult ltad ad,, cu cuan ando do se usan medios filtrantes gruesos y las burb bu rbuj uja as no se ha han n for orm mado en tod odo o el lec echo ho,, se pue ued de in intter erru rum mpi pirr la car arre rera ra de filtración por unos pocos minuto, para pa ra pe perm rmit itir ir qu que e el ai aire re ac acum umul ulad ado o se escape. Al reiniciar la operación se encuentra que qu e la pé pérd rdid ida a de ca carg rga a ha di dism smin inui uido do.. Si el le lech cho o ya es está tá to tota talm lmen ente te co colm lmad ado o de ai aire re,, es ne nec cesar ario io,, ad ade emá más s, ha hac cer un br bre eve lav avad ado o de un uno o o dos min inut utos os,, prod pr oduc ucie iend ndo o un una a ex expa pans nsió ión n de 10 a 15 % para ayudar a liberar las burbujas, con lo que la carrera del filtro se prolon pro longar gará á una unas s hor horas as má más. s.

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Factores que influyen en la filtración 

Tipo de medio filtrante. Los filtros rápidos pueden estar compuestos de arena natural de sílice, carbón de antracita triturado, magnetita triturada y arena de granate. La arenas naturales y los minerales triturados que se emplean normalmente, difieren en tamaño y distribución de tamaños, en forma y variación de forma, así como en densidad y composición química.

Color: marrón claro a rojo claro Densidad: 100 a 151 libras por pie cúbico Tamaño: 0,20 a 3,0 milímetros Solubilidad en medio ácido: <1.0% Peso específico: 2,67 Dureza: 6,0 a 8,0 en la escala MOH CU: 1,30 a <1,65

Color: negro Contenido de carbono: 95% Peso específico: 1,65 + 0,05 Solubilidad en ácido clorhídrico:<0,2% Dureza: 3,0 a 3,5 en la escala MOH Densidad: 52 libras por pie cúbico Tamaño: 0,60 a 62,00 milímetros Aprobada por ANSI/NSF 61 Normativa B100-01 de AWWA

Criterios para el diseño de sistemas de filtración rápida 

Factores que influyen en la filtración 3. Tipo de suspensión •

Características físicas

(volumen,

densidad, tamaño) •

Características químicas

(pH,

potencial Zeta) 4.

Influencia

de

la

temperatura 5.

Dureza del floc

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Teoría de lavado de medios filtrantes granulares

Durante el proceso de filtrado, los granos del medio filtrante se recubren de material depositado en ellos hasta obstruir el paso del flujo, lo que obliga a limpiarlos periódicamente.

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En los filtros rápidos, que trabajan con agua floculada, y en donde la penetración de las impurezas es mucho más profunda que en los lentos, el lavado se realiza invirtiendo el sentido del flujo en el, inyectando agua en los drenes y recolectándola en la parte superior

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Teoría de lavado de medios filtrantes granulares 

Fluidificación

Cuando se introduce un flujo ascendente en un medio granular, la fricción inducida por el líquido al pasar por entre las partículas, produce una fuerza que se dirige en sentido contrario a la del peso propio de los granos y que tiende a reorientarlos en la posición que presente la menor resistencia al paso del flujo.

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Cálculo de la pérdida de carga

La pérdida de carga terminal a través de un lecho fluidificado, es igual al peso de las partículas dentro del líquido, y por tanto:

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Cálculo de la pérdida de carga

Cuando el medio está constituido por material filtrante de diferente densidad como arena y antracita o arena, antracita y granate, la pérdida de carga terminal total es igual a la suma de las pérdidas por capa.

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Expansión del lecho filtrante

El aumento de altura que sufre un medio filtrante durante el lavado puede calcularse partiendo del principio de que el peso de los granos es el mismo antes y después de la expansión; por tanto:

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Expansión del lecho filtrante

Generalmente la arena tiene porosidades iniciales que varían entre 0.40 y 0.45 y la antracita entre 0.44 y 0.58. Obsérvese que la expansión del lecho es solamente función de las porosidades iniciales y finales.

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Cálculo de la porosidad de medio expandido

La porosidad de un lecho sometido a un flujo ascendente varía con la velocidad superficial del líquido, desde un valor inicial po, cuando no está expandido y puede medirse en el laboratorio, como se explicará posteriormente, hasta un valor final, que en su límite superior corresponde a p = 1, que es cuando todas las partículas son arrastradas por el agua.

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Diferentes autores, han presentado modelos matemáticos que interrelacionan la porosidad con la velocidad de lavado. Uno de los más conocidos es el de Richardson y Zaki:

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En las siguientes figuras se presentan las curvas que relacionan el número de Reynolds con el número de Galileo para diferentes valores del coeficiente de esfericidad y porosidad del medio filtrante expandido.

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Formas de lavado de filtro

El lavado debe hacerse cada vez que la pérdida de carga es igual a la presión estática sobre el fondo del lecho, o la calidad del efluente desmejore.

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La mayoría de los problemas del filtro se originan en un lavado deficiente incapaz de: (a) Desprender la película que recubre los granos del lecho; (b) Romper las grietas o cavidades en donde se acumula el material que trae el agua y (c) Transportar el material desde el interior del lecho hasta las canaletas de lavado.


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En ambos casos al lavar el lecho y luego iniciar la operación de filtrado, el material no removido queda atrapado entre los granos del medio y al progresar la carrera de filtración se compacta, con lo que la superficie del filtro desciende lentamente, como lo muestra la figura IX-13, y las áreas más obstruidas, generalmente alrededor de las paredes, se desprenden dejando una grieta entre ellas y la arena.

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En ambos casos al lavar el lecho y luego iniciar la operación de filtrado, el material no removido queda atrapado entre los granos del medio y al progresar la carrera de filtración se compacta, con lo que la superficie del filtro desciende lentamente, como lo muestra la figura IX-13, y las áreas más obstruidas, generalmente alrededor de las paredes, se desprenden dejando una grieta entre ellas y la arena.


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En casos de serio deterioro, estas grietas pueden llegar hasta la grava y todo el medio granular llenarse de "bolas de barro" que disminuyen el área de paso del flujo. Este fenómeno se presenta paulatinamente: primero se llenan las cavidades dentro del 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.

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Formas de

lavado de filtro

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Filtros rápidos convencionales 


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Formas de lavado de filtro 

Lavado ascendente con agua

Según la magnitud de la velocidad ascendente de lavado, el lecho filtrante puede tener: l. Todas sus partículas fluidificadas, lo que llamaremos alta velocidad de lavado. 2. Las partículas más finas fluidificadas pero no las más gruesas, que llamaremos velocidad intermedia de lavado. 3. Ninguna fluidificación de casi la totalidad del lecho filtrante salvo las capas muy superficiales, lo que llamaremos baja velocidad de lavado.

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Alta velocidad de lavado, la velocidad de flujo debe calcularse para que sea capaz de iniciar la fluidificación de la partícula más gruesa: Arena  1.0 a 1.2 mm de Antracita  2.0 a 2.8 mm Velocidades: 55 a 75 cm/min. En estas condiciones, las porosidades de las capas superiores de 0.5-0.6 mm de diámetro alcanzan valores entre 0.6 y 0.65 con expansiones de un 50% a 70% y gradientes de velocidad entre 290 y 310 s-1.

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Alta velocidad de lavado Las capas inferiores en cambio, a pesar de que su expansión es muy baja, alcanzan por su mayor peso, gradientes más elevados que las capas superiores, con valores de 375 a 420 S-1 , que están un poco más alejados que su valor optimo para ellas que es alrededor de 470 S -1 , pero que son suficientes.

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Media velocidad de lavado, el flujo ascendente se calcula como para que las capas superiores de 0.5-0.6 mm de diámetro se expandan entre un 20% y un 40% aunque las más pesadas del fondo no sufran expansión alguna, lo que se consigue con velocidades entre 40 y 55 cm/mín. En este caso las porosidades de las capas superiores alcanzan valores entre el 0.55 y el 0.60 con gradientes de velocidad de alrededor de 270 s-1, resultado no muy diferente al que se obtienen con velocidades mayores. Las capas de arena del fondo de 0.9 a 1.2 mm de diámetro, no se expanden en absoluto, pero alcanzan gradientes entre 330 y 375 s-1 .

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Baja velocidad de lavado, la expansión es nula en las capas inferiores y muy pequeña (5 a 15%) en las superiores. Esto se debe al uso de: 1. Granos finos en la capa superior de 0.5-0.6 mm y velocidades de lavado de 25 a 30 cm/min y 2. Lechos de granos gruesos y uniformes de 0.7 a 1.2 mm de diámetro y velocidades de 45 a 55 cm/min.

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Baja velocidad de lavado: En el sistema “1" los gradientes de velocidad son bajos, de alrededor de 250 s-1, tanto para los granos gruesos como para los finos. En el sistema “2” los gradientes son mucho más altos, mayores de 350 s-1, aún para las capas superiores, lo que no se puede conseguir cuando se emplean lechos de arena de menor tamaño.

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En todos los tres métodos descritos, sin embargo, los gradientes de velocidad son relativamente pequeños y es necesario, frecuentemente por eso, aumentarlos, introduciendo sistemas auxiliares tales como: 1. Lavado superficial con agua. 2. Lavado con aire.

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Método para aplicar agua de lavado

El flujo de lavado puede provenir de: 1. Un tanque elevado. 2. Un sistema de bombeo. 3. Otros filtros trabajando en paralelo.

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1. Tanque elevado En el primer caso debe construirse un tanque elevado que pueda estar: (a) sobre una colina cercana, cuando la topografía lo permita, (b) sobre estructuras metálicas y (c) sobre el edificio mismo de la planta.

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1. Tanque elevado La capacidad del tanque debe estar en función del número “n” de filtros y debe ser suficiente para lavar por lo menos dos unidades consecutivamente a la máxima tasa especificada para el caso. Cuando se usa lavado superficial, hay que tener en cuenta, también, el consumo de agua ocasionado por esta operación.

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1. Tanque elevado Capacidad del tanque elevado Por tanto el volumen Vc del tanque podría calcularse así:

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1. Tanque elevado Llenado del tanque elevado Para llenar el tanque es necesario un equipo de bombeo, con sistema de arranque y parada automática. La capacidad del equipo qb debe ser igual a: En donde tb es el tiempo en que se quiere bombear el volumen Vc . Este tiempo depende del número de lavados que se quiera realizar por día.

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1. Tanque elevado Potencia de la bomba La potencia de las bombas depende de la altura a la que hay que colocar el tanque sobre el nivel del lecho filtrante. Esta se suele calcular teniendo en cuenta que, descontadas todas las pérdidas de carga producidas por fricción en los tubos y accesorios que queden desde el tanque hasta los drenes del filtro la presión remanente a la entrada de éstos no sea inferior a 4 m. Cuando se conoce la pérdida de carga producida en ellos y las características de la arena, se puede colocar el tanque a una altura tal que el agua pueda llegar hasta la canaleta de lavado con el caudal de diseño.

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1. Tanque elevado Potencia de la bomba Por lo general el cálculo se hace al revés, partiendo de la cota de la canaleta de lavado a la que se le van sumando las pérdidas producidas por: a. Lecho filtrante expandido hf . Aproximadamente: Para arena: h¡ = 0.9 x espesor del lecho. Para la antracita: h¡ = 0.25 x espesor del lecho. b. Pérdida de carga en la grava (ver tabla IX-10). c. Pérdida de carga en los drenes. d. Pérdida de carga por tuberías y accesorios (ver Tabla IX-11). e. Pérdida de carga por sistema de control de rata de lavado.

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1. Tanque elevado Potencia de la bomba

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1. Tanque elevado Potencia de la bomba

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2. Lavado con bomba Si se lava por inyección directa con bomba, éstas suelen ser de gran capacidad y baja presión y no debe especificarse menos de dos unidades. La carga hidráulica total de la bombas puede calcularse en la misma forma en que se calcula la altura del tanque de lavado. Las bombas toman el flujo de distribución, o de aguas claras. En plantas pequeñas cuando se lava con bomba, al depósito de agua filtrada hay que dejarle la capacidad adicional necesaria para que no disminuya la reserva de servicio a los usuarios.

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3. Lavado flujo proveniente de otras unidades Se basa en el hecho de que si se deja la salida del afluente a un nivel mayor que la de la canaleta de lavado, y se interconectan los filtros. al abrir la válvula de drenaje, el nivel en la caja de la unidad que se quiere lavar desciende, con lo que se establece una carga hidráulica h, (ver figura IX-1 8) que invierte el sentido del flujo en el lecho filtrante y efectúa el lavado.

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3. Lavado flujo proveniente de otras unidades Cuando se llega a la máxima pérdida de carga permisible por filtración hf , el nivel de agua sube hasta la cota N, y es necesario lavar un filtro. para lo cual se abre la válvula o compuerta A. de modo que el nivel en él descienda rápidamente.

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3. Lavado flujo proveniente de otras unidades El valor necesario de hL para producir una determinada expansión es función de: 1. Pérdida de carga en los drenes. 2. Pérdida de carga para mantener el medio granular suspendido.

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Sistema de recolección de agua de lavado

Para recoger el flujo ascendente durante el lavado, debe tener un sistema de recolección. Este sistema puede consistir de: a) Un canal principal y canaletas laterales, b) Un canal principal solo, sistema muy utilizado en Europa y que disminuye la altura de la caja del filtro.

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En el primer caso, el canal principal puede colocarse al centro o a un lado con las canaletas desaguando en él (ver figura IX- 19(a)). Se acostumbra dejarles a las canaletas una pendiente del 2 al 5 % en el fondo para ayudar al transpone del material sedimentable. La distancia entre bordes adyacentes no se hace mayor de 2 m. para distribuir mejor el flujo y de 1.0 m entre los bordes y las paredes del filtro. Las formas de las canaletas varían según el material de que están hechas y la longitud. La figura IX-20 presenta algunos esquemas.

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En el segundo caso, el borde del canal se utiliza para el rebose del agua, y el filtro se diseña alargado de modo que no haya ningún punto de la superficie filtrante que quede horizontalmente a más de 3.0 m de la cresta del vertedero (ver figura). La ausencia de canaletas laterales presenta sus ventajas, pues se evitan las obstrucciones creadas por éstas, pero en cambio. por lo general se incrementa la distancia media que las partículas tienen que recorrer para llegar hasta el vertedero de salida.

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El número y tamaño de las canaletas depende de: a) b)

La capacidad del filtro y de La rata de lavado que se le quiere aplicar.

Por lo general se calculan para 20 a 40 % más del gasto teóricamente necesario.. Existen gran variedad de fórmulas para estimar el caudal. Camp halló la siguiente expresión:

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El número y tamaño de las canaletas depende de: a) b)

La capacidad del filtro y de La rata de lavado que se le quiere aplicar.

Por lo general se calculan para 20 a 40 % más del gasto teóricamente necesario.. Existen gran variedad de fórmulas para estimar el caudal. Camp halló la siguiente expresión:

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La altura desde la superficie del lecho hasta el plano de rebose debe ser igual a la expansión máxima del lecho (20% - 50%). Más un borde libre no menor al valor H total de la canaleta. para evitar que se pierda el medio filtrante durante el lavado. Esta altura varía por eso entre 40 cm y 75 cm con tendencia a 60 cm. Los valores más bajos e prefieren para lavados con aire y agua.

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Ejemplo: Un filtro tiene una capacidad de 2400 m3/d, trabajando con rata normal y va a ser lavado con 0.8 m/min. Se desea conocer la sección y dimensiones del filtro y las canaletas de lavado, y la altura de ellas sobre la arena, si el lecho filtrante tiene 70 cm de profundidad y se lo quiere expandir como máximo un 50%.

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Sistema de drenaje

El objeto de los drenes que se colocan en el fondo del filtro es doble: 1. 2.

Recolectar y extraer el agua filtrada. Distribuir uniformemente el agua de lavado en el lecho filtrante y el aire cuando este se usa.

Cuando los drenes están mal diseñados y no distribuyen uniformemente el agua de lavado, des estratifican la grava causando pérdidas del medio granular y deficiente limpieza de los granos.

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Sistema de drenaje

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Sistema de drenaje

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Sistema de drenaje

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Sistema de drenaje

El fondo Weeler ha venido instalándose desde 1913. Consiste en una losa de concreto fundida a 10-50 cm sobre el fondo del filtro, provista de orificios troncocónicos por donde pasa el agua. Existen dos tipos básicos: (a) con losas prefabricadas y (b) monolítico fundido en el sitio. El primero consiste en losas prefabricadas de concreto de 0.60 x 0.60 y 0.10 m de espesor, las cuales tienen 9 depresiones tronco piramidales de 15 x 15 cm, en las que van colocadas 5 esferas de porcelana de 1-1/2" de diámetro. Requiere los cuatro lechos convencionales de grava. Las losas se pueden colocar sobre soportes de concreto anclados en ellas de 10 a 50 cm de altura.

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Sistema de drenaje

Fondo Weeler ha venido instalándose desde 1913. Consiste en losas prefabricadas de concreto de 0.60 x 0.60 y 0.10 m de espesor, las cuales tienen 9 depresiones tronco piramidales de 15 x 15 cm, en las que van colocadas 5 esferas de porcelana de 1-1/2" de diámetro.

Requiere los cuatro lechos convencionales de grava. Las losas se pueden colocar sobre soportes de concreto anclados en ellas de 10 a 50 cm de altura.

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Sistema de drenaje

Fondo Leopol Existen dos tipos: El cerámico y el plástico. El primero ha venido instalándose desde1926. Consiste en bloques de arcilla vitrificada refractaria la corrosión. de 11" (27.9 cm) de ancho que están divididos en dos compartimentos: El inferior que sirve de conducto de distribución, y el superior que se comunica con el de abajo por un hueco de 1” (2.54 cm) de diámetro. En la cara que queda en contacto con la grava, hay 99 agujero por bloque de 5/32 , espaciados 3.1 cm centro a centro. que actúan a manera de criba para distribuir el agua de lavado

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Sistema de drenaje

Fondo Leopol

. Con este tipo de drene se puede disminuir el espesor de la grava dejando sólo los lechos más finos. Todas la filas de bloque se orientan a un conducto central de repartición. Este fondo e usa exclusivamente para agua con alta rata.

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Sistema de drenaje

Fondo Leopol El segundo es de Plástico, de reciente introducción que se lo usa para aire y agua a alta rata con posibilidad de inyección simultánea de ambos fluidos.

Consiste en un elemento trapezoidal que divide en tres compartimiento la caja, cuyas dimensiones son: Alto:27cm. Ancho: por 30.5 cm. Largo: 90 cm.

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Sistema de drenaje

Fondo Leopol

El agua o el aire entran a la zona céntrica y pasan a los lados, a través de los orificios (pequeños para el aire en, la parte superior, y grandes para el agua en la parte inferior) desde donde asciende hacia la boquillas plásticas que se encuentran en la tapa superior del bloque.

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Sistema de drenaje

Fondo Leopol Esto fondos producen menos pérdida de carga que lo cerámico pero son mucho más costosos. En consecuencia solo se pueden usar cuando se requiere lavado con agua y aire.

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Sistema de drenaje

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Sistema de drenaje

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Sistema de drenaje

Boquillas Existe una gran variedad de boquillas, generalmente de plástico. Se colocan en el falso fondo del filtro según las instrucciones del fabricante. Se usan preferentemente para lavados con aire y agua y son por eso el sistema preferido por las compañías europeas. Producen altas pérdidas de carga y se las usa para baja rata, aunque las hay para alta rata.

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Sistema de drenaje

Boquillas

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Sistema de drenaje

Fondos pre fabricados

Se pueden también hacer fondos de concreto pre fabricados para agua sola o para aire y agua, los primeros consisten en viguetas en forma de V invertidas, apoyadas a cada lado del filtro y atravesadas por segmentos de tubo o niples plásticos de 1/4" a 3/4" colocados cada 10 a 20 cm centro a centro. El espesor de las viguetas depende de la luz que haya que cubrir.

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Sistema de drenaje

Fondos pre fabricados

Según el espaciamiento entre orificios se produce más o menos pérdida de carga, como lo muestran las curvas de la figura IX- 29, obtenidas en el laboratorio Nacional de Hidráulica de Lima, Perú.

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SISTEMAS DE CONTROL DE LOS FILTROS

Los filtros rápidos, cualquiera sea su rata de flujo o medio filtrante que se use, requieren de algún sistema de control para regular la hidráulica del proceso. De lo contrario, al iniciar la operación con el filtro limpio dejando la válvula efluente abierta, se notará que todo el flujo que entra queda la superficie del lecho descubierta. A medida que progresa la carrera, sin embargo, la velocidad de filtración decrece lentamente y el nivel de agua en el filtro va subiendo, en proporción a la pérdida de carga que se produzca, hasta rebasarlo por completo si no se toman medidas a tiempo, lavando la unidad o cerrando el afluente.

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Para evitar este problema, tradicionalmente se ha colocado un controlador de rata de filtración. Otros prefieren dividir el flujo afluente en forma igual en todos los filtros y permitir que el nivel de agua varíe hasta llegar a un máximo, momento en el que se lava la unidad (afluente igualmente distribuido).

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Rata constante de filtración

La filtración puede hacerse manteniendo constante o declinante la velocidad de aproximación del flujo al lecho granular durante la carrera. En ambos casos el control de caudal puede hacerse a la entrada o a la salida del filtro de diferentes maneras.

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Rata constante de filtración

El flujo constante, se obtiene: (a) Utilizando un dispositivo hidráulico a la entrada, tal como un vertedero o un orificio de descarga libre, que distribuya por partes iguales el caudal a cada unidad o (b) Introduciendo una válvula reguladora (controlador) en la tubería efluente que produzca una pérdida de carga turbulenta decreciente a medida que avanza la carrera, para compensar la pérdida laminar. creciente del lecho filtrante, manteniendo así la velocidad de filtración sin modificación mayor a través del tiempo.

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Rata constante de filtración a) Control de entrada - Afluente igualmente distribuido

Un sistema muy simple de mantener el flujo constante en los filtros es regularlo a la entrada, colocando un orificio o vertedero que deje pasar un gasto constante.

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El canal de alimentación debe ser especialmente diseñado, de manera que distribuya por partes iguales el caudal que transporta, entre todas las unidades.

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Para evitar que al inicio de la carrera de filtración, cuando la pérdida de carga es mínima, el filtro se vacíe y quede el lecho permanentemente expuesto al impacto del chorro de agua del afluente, puede diseñarse un pozo general de recolección de agua filtrada, con la salida en la parte superior, de modo que se conserve siempre sobre el filtro un nivel mínimo h.

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Lo mismo se puede conseguir dejando un vertedero individual a la salida del agua filtrada, o incorporando dicho vertedero en el tanque de almacenamiento o aguas claras.

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En filtros de este tipo el nivel de agua en la caja del filtro va aumentando con el tiempo desde (A) hasta (B), y el lavado se hace cuando llega a este límite, lo que hace innecesario el uso de medidores de pérdida de carga. El inconveniente de dicho sistema está en que, por tal motivo, el filtro resulta profundo, pues hay que dejar entre l.40 a 2.40 m para variación del nivel del agua en la caja del filtro.

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Rata constante de filtración b) Control de salida con regulador de caudal

Los controladores básicamente sonde dos clases: (a) los que regulan el efluente para mantener un flujo constante en él, independientemente de la pérdida de carga en el filtro, dentro de los límites de operación de éste; (b) los que regulan el nivel en el canal del afluente por medio de flotadores o sifones para que se mantenga sin mayores variaciones.

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Rata constante de filtración b) Control de salida con regulador de caudal 1. Control del gasto

Para controlar el gasto dado por el tubo efluente del filtro, se inserta en él, un complejo sistema consistente en: (a) elemento primario, (b) Válvula de control, (c) Medidor de flujo, (d) Unidad de control de la válvula (e) Regulador de la rata de flujo

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Rata constante de filtración b) Control de salida con regulador de caudal 2. Control del nivel

Las variaciones de la altura del agua, en una cámara especial o en la caja del filtro, pueden usarse para regular el caudal.

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Rata declinante de filtración Cuando la filtración se hace con rata declinante, el flujo afluente o efluente no se regula sino que se deja que la velocidad de filtración tome el valor que corresponde al estado de colmatación individual de cada lecho filtrante. En consecuencia, el flujo en cada unidad decrece con el tiempo sin perjuicio de que el caudal producido por todas las unidades sumadas se mantenga constante. La rata declinante puede ser continua o escalonada.

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Rata declinante de filtración

En este caso, el nivel y altura total H en el filtro se mantienen constante mientras la rata de flujo disminuye en proporción al aumento de la pérdida de carga.

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CP 01 Filtracion Rapida

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