Filtración (en medio granular)
BIBLIOGRAF Í A
•AWWA. 1999. “Water Quality and Treatment”. 5ª ed. McGraw Hill •Masters, G.M.1996. “Introduction to environmental engineer1999. “Water Quality and Treatment”. 5ª ed. McGraw Hilling and science”. 2 ed. Prentice Halll, Nueva Jersey. •Metcalf & Eddy, "Ingeniería de Aguas Residuales: 1995. Tratamiento, Vertido y Reutilización", 3ª ed., Vol. I y II, McGraw-Hill, Madrid. •Metcalf & Eddy, “Wastewater Engineering, Treatment and Reuse", 4ª ed., 2003, McGraw-Hill, NY
nd
Objetivo: Remover turbidez, partículas en general, precipitado de aluminio o fierro, etc. Remover microorganismos (pej*: Giardia y Critposporidium) Critposporidium)
Filtración es una de la principales operaciones unitarias en la producción de agu gua a potab table.
En el tratamiento de aguas residuales es un practica reciente y hoy en día esta sta sie siendo más común su aplicación.
Conseguir una mayor eliminación de sólidos suspendidos (incluido el DBO DB O pa part rtíc ícul ulad ado) o) de desp spué ués s de trat tratam amie ient ntos os biol biológ ógic icos os y qu quím ímic icos os:: 1.C 1.Con ond dici icion ona ar el efl efluen ente te para una de desi sin nfecc fecciión ma mas s efect fectiiva 2.P 2.Pre-t re-tra rata tami mie ento nto pa para ra una eta etapa de fil filtra tració ción por mem emb bran rana 3.E 3.Elimi imina naci ció ón de fosf fosfor oro o pre precip cipitad tado por vía vía quím uímica ica
Operación consta de 2 etapas: (a)Filtración (b)Lavado o regeneración (Lavado a contracorriente)
Componentes de un filtro: -Entrada de agua -Medio filtrante (p.ej: arena) -Grava -Sistema de drenaje inferior -Entrada para el agua de lavado
Operación consta de 2 etapas: (a)Filtración (b)Lavado o regeneración (Lavado a contracorriente)
Componentes de un filtro: -Entrada de agua -Medio filtrante (pej:arena) -Grava -Sistema de drenaje inferior -Entrada para el agua de lavado
Tipo de filtros (A) De Medio Granular
1. Filtros de arena – medio único: Típico, L= 24 – 36 “ (0. -0.9 m)
de Medio Granular
operación Menor Tamaño Superior
Mayor Tamaño
Inferior Tamaño del grano
Ej. Medio doble Antracita Arena
Ej de multimedia Antracita Arena Garnet
Tipo de filtros (B) De Flujo Ascendente Agua limpia filtrada
Flujo de operación
Agua Sucia de Lavado
Agua de Lavado
Tipo de filtros (B) De Flujo Ascendente Agua limpia filtrada
Flujo de operación
Agua Sucia de Lavado
Agua de Lavado
- Cuando es un filtro nuevo - OK - Pero, al realizar el ciclo de lavado, cambian las condiciones de la superficie del filtro hay mayor probabilidad de contaminación (ej: Giardia y Cryptospiridium)
Tipo de filtros (C) Filtros Lentos de Arena •Rápidos : 5 – 10 m/h •Lentos : 0,1 – 2 m/h -No es necesario realizar lavado por lo que no se produce la estratificación de los granos -Tiempos largos de operación
∼
1 – 6 meses
-Limpiado se realiza a través de un raspado en la parte superior del filtro
(D) OTROS - Tierras de diatomea - Micro-tamices
∼
13 - 50 mm
Propiedades del medio granular Tamaño del grano y distribución del grano:
El tamaño efectivo, TE (ES, effective size): Tamaño del tamiz por el que pasa el 10 % en peso de un determinado volumen de granulos
d10
Coeficiente de uniformidad, CU (UC, uniformity coefficient): Relación entre el tamaño del tamiz por el que pasa el 60 % de granulos en peso , con respecto al tamaño efectivo. d60 60
10
CU mas cercano a 1 la granulometría es mas uniforme
d90 = d10 (101,67 log UC)
Propiedades del medio granular Tamaño del grano y distribución del grano:
El tamaño efectivo, TE (ES, effective size): Tamaño del tamiz por el que pasa el 10 % en peso de un determinado volumen de granulos
d10
Coeficiente de uniformidad, CU (UC, uniformity coefficient): Relación entre el tamaño del tamiz por el que pasa el 60 % de granulos en peso , con respecto al tamaño efectivo. d60 60
10
CU mas cercano a 1 la granulometría es mas uniforme
d90 = d10 (101,67 log UC)
Otros: -Forma/esfericidad de los granulos -Densidad/Gravedad específica -Dureza del grano -Porosidad del lecho formado
Valores típicos para los filtros (1)Arena - Filtros de Arena rápida d10= tamaño efectivo = 0,45 – 0,55 mm CU < 1,7 Altura/profundidad del lecho = 0,7 – 0,9 m Propiedades intrínsecas: Gravedad especifica = 2,65 Esfericidad (ψ )= 0,7-0,8 , – , - Filtros de lecho profundo d10= tamaño efectivo = 1 – 1,5 mm CU < 1,4 Altura/profundidad del lecho = 1,2 – 1,5 m - Filtros de lento de arena d10= tamaño efectivo = 0,15 – 0,3 mm CU < 3 Altura/profundidad del lecho = 0,45 – 1,5 m
Valores típicos para los filtros (2) Antracita Gravedad especifica = 1,55 -1.6 (~1,7) Esfericidad (ψ )= 0,46-0,60 Antracita
d10= 0,9 – 1,0 mm
Arena
d10= 0,45 – 0,55 mm
CU < 1,5 -1,6
Interface entre los medios
Profundidad 12-24 in 6-16 in
Típico 18 in 12 in
Valores típicos para los filtros (2) Antracita Gravedad especifica = 1,55 -1.6 (~1,7) Esfericidad (ψ )= 0,46-0,60 Porosidad (ε)=0,56 – 0,60 Antracita
d10= 0,9 – 1,0 mm
Arena
d10= 0,45 – 0,55 mm
Profundidad 12-24 in 6-16 in
Típico 18 in 12 in
, - , Interface entre los medios Evitar mezclado:
Relacionado con la velocidad de sedimentación de los granos de filtros
Por ejemplo: Antracita
d10= ? mm
Arena
d10= 0,55 mm Gravedad especifica ~ 2,65
Interface entre los medios Evitar mezclado:
Gravedad especifica ~ 1,70
Valores típicos para los filtros (2)Carbón activado granular Gravedad especifica = 1,3 -1,35 Esfericidad (ψ )= 0,75 Porosidad (ε)=0,50
CAG Arena
Profundidad d10= 0,55 – 0,65 mm 12-24 in d = 0 45 – 0 55 mm CU < 1,9
(3) Granate o ileminata: Gravedad especifica ~ 4 d10= 0,2 – 0,3 mm Esfericidad (ψ )= 0,60 (Granate) CU ~ 1,5
6-16 in
La pérdida de carga es una pérdida de presión por el agua que fluye a través del filtro. Cuando el agua fluye a través de un filtro obstruido, la fricción hace que el agua pierda energía, por lo que el agua que sale del filtro está bajo menos presión que el agua que entra en el filtro.
Flujo a través de medio poroso y la pérdida de carga (h) de lecho limpio Ecuación de Kozeny, valida para condiciones de flujo laminar:
h = perdida de carga en un lecho de profundidad L g = aceleración de gravedad ε = porosidad a/ ν = área superficial del grano (medio) por unidad de volumen del grano = super c e espec ca = 6/d para esferas = 6 / (ψ *deq) para granos irregulares V = velocidad superficial sobre el lecho = (flujo)/(área superficial del lecho) = *velocidad de filtración µ = viscosidad absoluta del fluido ρ = densidad del fluido k = constante adimensional de Kozeny, comúnmente igual a 5 en la mayoría de la condiciones de filtración
Cálculo de la pérdida de carga (h) de lecho limpio – considerando la distribución de tamaño del medio. Dividir el medio del filtro en 5 capas equivalentes a d 10, d30, d50, d70, d90
Antracita Arena
5 capas, n=5
Ejemplo: medio único de arena Datos: - profundidad del filtro=0,91 m - velocidad de filtración= 14,6 m/h - temperatura del agua = 20°C - Esfericidad = 0,75 - Porosidad = 0,42 Se puede asumir, esfericidad y porosidad constante en toda la profundidad del lecho
Solución:
Arena
Utilizar Ecuación de Kozeny
Dividir el medio del filtro en 5 capas equivalentes
a/ ν = 6 / (ψ *deq) = 6/ (0,75*deq) µ/ ρ = 1,004×10-6 , T= 20°C g = 9.81 m/s2 V = 14,06 m/h = 4,08×10-3 m/s k = constante de Kozeny = 5
Distribución del tamaño
Función del diámetro
Tamaño
diam.medio ( mm)
diam.medio ( m)
hi/L
Profundidad (m)
h (m)
d10
0,54
5,40E-04
2,08
0,182
0,38
d30
0,66
6,60E-04
1,3
0,182
0,25
d50
0,!3
!,30E-04
1,14
0,182
0,21
d!0
0,8
8,00E-04
0,5
0,182
0,1!
d0
0,8!
8,!0E-04
0,80
0,182
0,15
1,2!
h#, fi#$ro " Σ=
1,16
Promedio, Χ "
h#, fi#$ro " Promedio % L "1,2!&0,1 m h#, fi#$ro (m) "
1,16
Perfil de Turbidez /sólidos en el efluente Pérdida de carga (hl)
Turbidez (NTU)
hl MAX γ=pendiente
Estándar Re .
hl LIMPIO tm
th
tb
th=tiempo de perdida de carga máxima admisible tb=tiempo de (“breakthrough”) ruptura/rotura tm=tiempo de maduración (~5-20 minutos) ¿th>tb? ó ¿th
De una planta piloto es posible obtener:
σ
= deposito-limitante
(masa de sólidos suspendidos retenidos en el filtro/ unidad de volumen del lecho del filtro [m
3
de lecho])
Vo = tasa de filtración o carga superficial t = tiempo de filtración de ciclo de operación L = profundidad del lecho Co=concentración de sólidos suspendidos en el influente CL=concentración de sólidos suspendidos en el efluente
Asumiendo que CL <<<<<<< Co
CL≈ 0
(1)tiempo para alcanzar tb (2) tiempo para alcanzar th
Donde γ =coeficiente de pérdida de carga que se obtiene experimentalmente – planta piloto
Producción de agua (1)Unidad de volumen de filtro en ciclo de operación (por unidad de área transversal) = V f / AS = UVOP Vf: volumen de agua entre 2 ciclos de lavados Típicos : 5000 gal/pie 2 ∼ 200 m3 /m2
(2) Unidad de volumen de ciclo de lavado = V L / AS = UVLAV VL = volumen de agua de lavado Típico : 100 – 200 gal/pie2 ∼ 4 – 8 m3 /m2
Producción de agua:
Carga superficial o tasa de filtración de diseño: Vd = Vo = (UVOP)/ (tiempo operación del filtro) (unidades : m/h )
Carga superficial o tasa de filtración efectiva: efectivo =
OP –
LAV
empo operación + empo lavado
Eficiencia de producción de agua (potable): Vefectivo / Vd = eficiencia de producción, deseado > 0,95
Producción neta de agua potable = Vefectivo (m/h) * 24 (h/d) (unidades: m/d)
Control del flujo El
ritmo de flujo a través de un filtro se puede expresar:
Velocidad del flujo : (Fuerza impulsora) / (Resistencia del Filtro)
limpio A
medida que se van acumulando sólidos la fuerza actuante deberá vencer la resistencia que ofrece el lecho filtrante obstruido Objetivo
del control de flujo
mantener un flujo constante/parejo
Control del flujo Los
principales métodos usados para el control de flujo que pasa a través de los filtros: (1) Filtración a caudal constante: - Se controla el caudal del influente/entrada o el caudal del efluente para asegurar que el caudal que circula a través del filtro es constante - Control del caudal: - Influente: se realiza mediante vertederos o bombas - Efluente: mediante la instalación de una válvula (manual o automática) (2) Filtración a caudal variable: -
El caudal que pasa a través del filtro va disminuyendo conforme aumenta la perdida de carga Cuando el caudal alcanza el valor del caudal mínimo definido se detiene el filtro y se procede a su lavado.
Esquema de la filtración a caudal constante con
perdida de carga fija
Esquema de la filtración a caudal constante con
perdida de carga variable
Esquema de la filtración a caudal constante con
perdida de carga y caudal variable
LAVADO DE FILTROS Con el fin de lavado a contracorriente del filtro, la válvula influente se cierra y una línea de agua residual se abre. Una bomba de lavado fuerza agua tratada a través del lecho filtrante. El agua sucia de retrolavado se recoge y puede ser reciclada al comienzo de la planta o se puede permitir que sedimenten en un estanque.
El retrolavado debe comenzar lentamente. Si comienza demasiado rápido, el agua de retrolavado puede dañar el sistema de drenaje, el lecho de grava, y . también puede forzar la salida del aire ocluido en el filtro con el riesgo de dañar el filtro.
El agua de lavado debe tener la suficiente velocidad y el volumen para agitar la arena (u otro medio granular) y acarrearse el material que se ha agregado en el filtro.
El retrolavado normalmente tarda unos 10 minutos, aunque el tiempo varía dependiendo de la longitud de ciclo de operación del filtro y la cantidad de material que debe eliminarse. Los filtros deben ser lavado hasta que el agua de retrolavado este limpio.
Lavado de filtros Métodos usado comúnmente para el lavado de filtros de medio granular (1) Sólo lavado con agua contracorriente (2) Lavado con agua contracorriente con lavado superficiales auxiliares. E em lo: Agua a alta presión (incrementa la turbulencia) Brazo rotatorio
(3) Lavado con agua con jets de aire: provee un sistema de lavado más riguroso que con sólo agua. (a) Aplicación simultanea contracorriente del aire y agua de lavado (b) Aplicación secuencial
Posibles problemas en un filtro
MudBall: “Bolas de barro” son conglomerados del material de filtro.
agrietamiento de los medios de filtro y / o separación del medio granular con la pared del filtro
