FILTROS DE ARENA
Ing. Omar Gallegos
Filtros de arena El tipo de filtro mas usado en tratamiento tratamiento de agua potable generalmente generalmente es el de arena. El objetivo del filtro en una PTAP es:
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Lograr el valor de turbiedad de norma. Asegurar ausencia de huevos de helminto en efluente.
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Generalmente Generalmente la filtración se efectúa efectúa después de la separación de la mayoría de los sólidos suspendidos por sedimentación, pero pero según las características características del agua, es posible filtrarla, sin ser sedimentada previamente.
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Si la cantidad de sólidos es pequeña puede pasarse directamente directamente a la etapa de filtración. Si la cantidad de sólidos suspendidos es grande, el filtro se satura rápidamente rápidamente y es necesario su continua limpieza.
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Requisitos del efluente •
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De acuerdo con las investigaciones investigaciones realizadas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) (EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o igual a 0,10 UNT para garantizar garantizar que esté libre de huevos de parásitos (Giardia, Cryptosporidium, etc.). La norma peruana. DS-031-2012-SA. Especifica:
Anexo I. LMP parámetros microbiológico y parasitológicos
Anexo II. LMP parámetros organolépticos
TIPOS DE FILTROS DE ARENA POR GRAVEDAD Filtros rapidos. Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de coagulación, decantación, filtración y desinfección. La arena tiene tamaños efectivos de grano entre 0.4 a 1.2 mm, y la tasa de filtración es entre 5 y 15 m3/m2/hr (120 a 360 m3/m2/dia). • •
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Los filtros lentos. Operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros rápidos; de allí el nombre que tienen. • •
Límites de calidad del agua aceptables para el tratamiento por filtración rápida completa
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Fuente. Lidia de Vargas. CEPIS.
Límites de calidad del agua para tratamiento mediante filtración lenta
En filtros rapidos. Para lograr cumplir con el requisito de cero huevos de helmintos (0.1 NTU), es necesario que al ingreso de los filtros haya máximo un agua con 2 UNT. Eso generalmente requiere el uso de sedimentadores previos. La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (cloro residual libre de 1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto de 30 minutos), solo tiene la capacidad de remover bacterias. Como los huevos de parásitos son grandes, un filtro que opere eficientemente y reciba agua con no más de 2 UNT puede producir un efluente exento de huevos de parásitos. Estos filtros tienen capas de partículas, de menor tamaño arriba y de mayor tamaño abajo. •
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Agua en Arequipa. • • • • •
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Turbiedad Agua Cruda: Temporada de lluvia : lluvias normales 200 a 400 UNT Temporada de lluvia : caídas de huaycos hasta 10 000 UNT Temporada de estiaje: 06 a 60 UNT ( turbidez coloidal )
Agua Potable: Norma Nacional : 5 UNT como máximo Norma SEDAPAR : 2 UNT como máximo pH(6.5 - 8.5 unidades).
Alcalinidad(60 - 110 mg/l CaCO3).
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Filtros rapidos En filtros rápidos debido a que el tamaño de grano, y los poros son gruesos, las impurezas del agua penetran al fondo del lecho. El lecho tiene mayor capacidad para almacenar las impurezas. Para agua de turbiedad baja, como la de lagos y estanques, los filtros rapidos son capaces de producir agua clara, pero aun contiene bacterias y aguas, por lo que será necesario posterior clorinacion. En aguas de rio con elevada turbiedad la filtración rápida se puede usar con previo tratamiento de coagulación, floculación y sedimentacion., o como tratamiento previo a una filtración lenta. •
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Filtro rápido de arena
Operación del filtro rapido •
El agua ingresa al filtro a través de la válvula A, y desciende a través del lecho del filtro , hasta el fondo del mismo (sistema de desagüe), descargándose por la válvula B.
Operación de filtros rapidos Debido a que los poros se van atorando gradualmente, la resistencia del lecho al flujo del liquido aumenta gradualmente. La limpieza del lecho se hace por retrolavado •
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Tipos de filtros rápidos de arena por gravedad Según la dirección del flujo:
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De flujo ascendente. De flujo descendente. De flujo mixto
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Según el tipo del lecho filtrante:
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De capa simple. De capa múltiple.
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Según el mecanismo de filtración:
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De filtración directa. De filtración indirecta
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Según el método de control operacional:
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De tasa constante. De tasa declinante.
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1.- SEGÚN LA DIRECCIÓN DEL FLUJO En los filtros de arena, el agua fluye a través de un lecho de grava y arena. Las propiedades del medio, causan que el agua tome caminos erráticos y largos trayectos, lo cual incrementa la probabilidad de que el sólido tenga contacto con otras partículas suspendidas, y con el gránulo de grava o arena, siendo asi retenido entre el material filtrante.
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Tipos: De flujo ascendente. De flujo descendente De flujo combinado
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Filtros de arena de flujo ascendente Esta filtración presenta la ventaja, que el agua afluente escurre en el sentido en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño, lo que hace posible que todo el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en la remoción de partículas suspendidas. Aunque las carreras de filtración resultan más largas, la carga hidráulica necesaria aguas arriba de los filtros, han limitado mucho su uso. •
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La capa gruesa del fondo del lecho del filtro criba la mayor parte de las impurezas suspendidas, sin gran aumento de la resistencia del lecho del filtro. Las capas finas sobrepuestas tienen poros mas pequeños, pero allí llegan pocas partículas suspendidas
La aplicación más ventajosa de este tipo de unidades, es la filtración directa, en la que, el agua es conducida a los filtros por la parte inferior. Las principales características son las siguientes: a) Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m2/día. b) Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas son los más comunes. •
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La Filtración directa. Es una alternativa constituida por los procesos de mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras. Son ideales para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas, que operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y poco contaminadas. Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien protegida—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo, y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa.
Esquema de filtro de flujo ascendente de tasa constante. Varias capas de grava con diámetro de partícula que varia gradualmente . Ventaja: mayor carrera del filtro •
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Suelen ser efectivos como pretratamiento, antes de filtros rápidos o filtros lentos descendentes. •
Desventajas: La fluidificación del lecho provoca perdida de calidad del filtrado. Se requiere aplicar una presión adicional
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Solución: malla para evitar la expansión
Filtros de arena descendente •
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Normalmente tiene 3.5 a 5 m de profundidad total, en el que se oloca el lecho de arena y grava sobre el sistema de drenaje. El flujo pasa de la parte superior a través del lecho de unos 0.5 a 2.0 m, siendo recogido por el sistema de drenaje. Una vez obstruido el lecho, este se lava invirtiendo el sentido del flujo, esta operación puede demorar unos 5 a 15 minutos. La tasa de filtración o carga superficial sobre el filtro, puede variar desde 120 a 300 m3/m2/dia.
Filtro de flujo descendente
Filtración ascendente-descendente •
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Filtros denominados Bi-Flow, donde parte del agua cruda coagulada es introducida en la parte superior, y la restante en la parte inferior del filtro. La colección se hace por medio de tuberías provistas de bocas e instaladas en el interior del medio filtrante.
Esquema de filtro Bi-Flow
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Este tipo de instalación presenta el inconveniente de que la colección del agua se hace en el interior del medio filtrante, donde las bocas se pueden obstruir con el tiempo, por lo que requieren un mantenimiento rutinario. Para controlar esta situación, aparecieron los superfiltros, que realizan la filtración ascendente y descendente.
Esquema de superfiltracion Se realiza, primero una filtración de flujo ascendente y, en seguida, la de flujo descendente. Efecto: mayor carrera y eficiencia. Desventaja. Requiere mayor caída de presión.
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2.- SEGÚN EL MÉTODO DE CONTROL OPERACIONAL a.- Tasa constante y nivel variable
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Cuando la entrada a los filtros es hecha de modo que el caudal de filtración será constante, y el aumento de resistencia del filtro va acompañado por el aumento de carga hidráulica disponible. •
b.- Tasa declinante, nivel constante Donde la carga hidráulica disponible es íntegramente aplicada desde el inicio hasta el final de la carrera de filtración, lo que conlleva, con el transcurso del tiempo, una disminución gradual del caudal filtrado. • •
c.- Tasa y nivel constantes
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El nivel de agua en los filtros no varía mucho. Se puede considerar la carga hidráulica disponible aproximadamente constante, por medio de válvulas de control •
Filtros de arena descendente Pueden ser, de: tasa constante, y tasa declinante. Antes, los filtros descendentes por gravedad eran diseñados sólo para tasa constante, y generalmente iban provistos de dispositivos automáticos de control de caudal y nivel. •
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Se simplifica la forma de operación mediante tasa declinante. Su mayor simplicidad garantiza una adecuada operación. •
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a.- filtros de tasa constante y nivel variable Caudal de filtración constante. O de ritmo de filtración controlado El nivel del agua en la caja del filtro variará desde un valor mínimo, cuando el medio filtrante se encuentra limpio, hasta un valor máximo, cuando el filtro deberá ser lavado. Al inicio de la operación, el medio filtrante estará limpio y, para evitar que el nivel mínimo se localice debajo de la cima de la capa filtrante, la instalación deberá estar provista de una válvula u otro dispositivo cualquiera en la tubería efluente para ajustar el nivel mínimo. Este método de operación se conoce como “distribución • •
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equitativa de caudal”.
Sistemas de control Caso a), valvula en descarga unida a nivel de salida. Caso b, conrol en nivel de columna del filtro. Caso c), valvula en descarga unida a nivel en columna del filtro. El conducto tendrá una abertura suficiente para que no se produzca perdida de carga apreciable. •
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Ventajas y desventajas Ventaja: Considerando que el caudal total afluente es constante, la tasa de filtración se mantiene constante sin el empleo de equipos de control. • •
La principal desventaja de este sistema, es la altura adicional de la caja del filtro debida al vertedero de entrada, que debe tener descarga libre. •
Valores de tasa de filtración DESCRIPCION De agua decantada en medio filtrante único de arena con espesor inferior a 0.8 m. De agua coagulada en medio filtrante único con espesor superior a 1.0 m, y uso de polímero (filtración directa) De agua decantada en medio filtrante doble, con espesor total inferior a 0.8 m De agua coagulada en medio filtrante doble, con espesor total superior a 0.8 m, con uso de polímero como zuxiliar (filtración directa)
TASA DE FILTRACION m3/m2/d 120-240 180-600 180-360 180-600
En baterías de filtros El caudal es distribuido en proporciones iguales entre todos los filtros por medio de dispositivos simples, como un vertedero. •
Bateria de filtros El nivel de agua será diferente entre los diversos filtros de una batería, y dependerá solamente del grado de colmatación del medio filtrante de cada uno de ellos. Cuando un filtro es retirado de operación para ser lavado, el caudal correspondiente al mismo es distribuido igualmente entre los filtros restantes de la misma batería, de modo que el nivel en cada filtro aumente gradualmente hasta que haya carga suficiente para filtrar el nuevo caudal (de este modo, el aumento de filtración es gradual, sin perjuicio sustancial de la calidad del afluente). Después del inicio de operación de un filtro lavado, la disminución de la tasa de filtración en los demás filtros también es gradual, sin que ocurra perjuicio de la calidad efluente. •
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b.- filtros de Tasa declinante
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También se conoce como de ritmo de filtración descendente. No se utilizan controladores de tasa de filtración Donde la carga hidráulica disponible es íntegramente aplicada desde el inicio hasta el final de la carrera de filtración, lo que conlleva, con el transcurso del tiempo, una disminución gradual del caudal filtrado. La calidad del efluente con tasa declinante es superior, con carreras de filtración más largas, en relación con la obtenida en filtros operados con tasa constante. La entrada, es hecha debajo del nivel mínimo de operación de los filtros.
Esquema de filtro de tasa declinante.
La tasa de filtración después del lavado puede ser de 25 m3/m2/hr, y la tasa promedio de 5-7 m3/m2/hr. Las altas tasas pueden afectar la calidad del efluente. •
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Ventajas Las principales ventajas del sistema de tasa declinante son : a) La pérdida de carga es evidente para el operador por la simple observación del nivel de agua en los filtros. b) La calidad del efluente es mejor cuando la tasa de filtración disminuye desde el inicio hasta el final de la carrera de filtración. c) Es mayor el volumen de agua producido por unidad de pérdida de carga debido a la retención de partículas. d) La carga hidráulica necesaria para la filtración es menor. e) Se evita la ocurrencia de presión inferior a la atmosférica en el interior del medio filtrante. f) Se eliminan los equipos mecánicos de control de toda índole, con la consiguiente reducción en los costos iniciales.
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c.- filtros de Tasa y nivel constantes En este método de operación el nivel de agua en los filtros de gravedad no varía mucho. Se puede considerar la carga hidráulica disponible aproximadamente constante Al inicio de la carrera de filtración, el medio filtrante está limpio, y para que la resistencia total del filtro sea mantenida constante, es necesario un dispositivo controlador que genere un valor de pérdida de carga igual a la diferencia entre la carga hidráulica total disponible y la suma de las pérdidas de carga en el sistema. A medida que progresa la carrera de filtración, aumenta la pérdida de carga (ht) en el medio filtrante debido a la retención de partículas y, como resultado, la pérdida de carga introducida por el dispositivo controlador debe disminuir. Básicamente, los dispositivos de control disponen de un medidor de caudal, un transmisor, una válvula de control y un fijador de caudal.
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Var ac n e a per a e carga e contro a or en función del tiempo
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Los principales inconvenientes: a) Costo elevado de equipos. b) Costo elevado de operación y mantenimiento. c) Necesidad de control de nivel, automático o manual. d) Posibilidad de deterioro del efluente producido por los ajustes de nivel realizados por los equipos.
Filtros de tasa y nivel constante
3.- SEGÚN EL MEDIO FILTRANTE •
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a.- Filtros de lecho simple
En los medios de arena convencionales, la permeabilidad aumenta con la profundidad del filtro. En estas condiciones, los granos más pequeños quedan arriba y los más grandes abajo. Esto significa que a medida que el flóculo penetra dentro del lecho, encuentra poros más y más grandes por donde puede pasar con más facilidad. Es obvio que debido a esta estratificación, el mayor porcentaje de partículas queda retenido en la superficie y, por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de flóculos es limitada.
b.- Filtros de lecho múltiple
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Busca conseguir que la permeabilidad del lecho disminuya con la profundidad, de forma que los flóculos puedan penetrar y encontrar el medio más fino en las capas inferiores del filtro y el más grueso en las capas superiores. Al emplear un solo tipo de material granular esto no es posible, pues el flujo de lavado lo estratifica en sentido contrario. Se utiliza medios de diferentes densidades, de manera que los granos gruesos sean de material poco denso El flujo ascendente de lavado los estratifica y quedan encima de los granos finos, cuya densidad es mayor. •
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La Fig. esquematiza la estratificación del material filtrante para el caso de un lecho de arena, un lecho doble (arena y antracita) y un lecho ideal para la filtración descendente. En los lechos dobles de arena y antracita, se consigue tener el material más grueso en la capa superior y el más fino en las capas inferiores. Esto es una aproximación a la estratificación ideal en filtración descendente
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Lecho multiple
Caracteristicas del lecho multiple
Antracita La antracita es el carbón mineral de color negro, brillante, con gran dureza, presenta mayor contenido en carbono, hasta un 95%. Triturado se convierte en un excelente medio de filtración, cuando es usada en combinación con arenas filtrantes, debido a la forma especial de sus granos. En comparación con la arena, este medio filtrante permite una carrera más larga y menos pérdida de carga. •
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Dátos Técnicos: Color: negro Contenido de carbono: 95% Peso específico: 1,65 + 0,05 Solubilidad en agua alcalina: 0,7 + 0,3 Solubilidad en agua ácida: 0,7 + 0,3 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 •
4.- SEGÚN EL MECANISMO DE FILTRACION a.- Filtración directa.
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Utiliza primero un coagulante para el agua cruda, luego se agita la mezcla para inducir la coagulación. Después, se pasa el agua a través de filtros, sin pasar por un sedimentador. Las algas en cantidades superiores a 1000 unidades por mililitro, pueden reducir significativamente la carrera de filtración. Se recomienda para tratar aguas superficiales de baja turbiedad y color. La turbiedad del agua cruda debe ser inferior a 20 UNT, color inferior a 40 UC y, siempre que sea posible, utilizar pequeñas dosis de polímeros sintéticos o naturales. •
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Caracteristicas Es frecuente el uso de lechos de arena y antracita más profundos y más gruesos que los convencionales para conseguir carreras más largas e incrementar la productividad. Es un sistema muy sensible a las variaciones de turbiedad y color por lo que no se debe adoptar como solución tecnológica mientras no se tengan ensayos de laboratorio o planta piloto. En el caso de aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante filtración directa •
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ascendente.
La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa ascendente– descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100 UC. •
Límites de calidad del agua para plantas de filtración directa
Otros parámetros de calidad importantes para la filtración directa •
Además de las especificaciones de calidad de agua indicadas en el cuadro anterior, se deberán tener en cuenta otros parámetros de calidad de la fuente que se indican en el cuadro
Calidad del agua cruda requerida TURBIEDAD: Que el 90% del tiempo sea < a 10 UNT Preferiblemente =5 UNT COLOR VERDADERO: El 90% del tiempo sea <10 U.C HIERRO Y MANGANESO: Que sea < 3 mg/l CONCENTRACIÓN DE ALGAS: Máximo 500 cel/mL Normal: 200 cel/ mL Dosis de coagulante entre 4 mg/l y 8 mg/l con o sin adición de polímeros. • • • • • •
CUANDO: Turbiedad entre 10 y 40 UNT Color entre 15 y 40 UC Hierro entre 0.3 y 1.0 mg/l Se requieren estudios en planta piloto y en laboratorio para determinar viabilidad de Filtración Directa • • • • •
Ventajas de la filtración directa
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a) Menor costo de construcción de la planta de tratamiento. b) Menor costo de operación y mantenimiento. c) Reducción sustancial del consumo de coagulante.
Desventajas de la filtración directa •
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a) Dificultad en el tratamient tratamiento o de agua con alto contenido de color o turbiedad. b) Necesidad de monitoreo continuo o control riguroso de los principales parámetros parámetros de calidad del agua cruda y tratada. c) El tiempo de retención total para el tratamiento es relativamente relativamente corto, corto, lo que implica que debe reaccionarse rápidamente rápidamente ante las modificaciones de calidad del agua cruda.
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b.- Filtración Filtración con sediment sedimentación ación.. El agua cruda luego de recibir el coagulante, debe pasar por un sedimentador sedimentador o coagulador, para remover la mayor parte de los flóculos formados, como lodo. El filtro remueve sólo las partículas que no han logrado sedimentar en el paso previo
Filtración con sedimentación
Sedimentadores horizontales
Sedimentadores verticales
FILTROS LENTOS El agua cruda que ingresa a la unidad permanece sobre el medio filtrante tres a doce horas, dependiendo de las velocidades de filtración adoptadas.
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En ese tiempo, las partículas más pesadas que se encuentran en suspensión se sedimentan y las partículas más ligeras se pueden aglutinar, lo que facilita su remoción posterior. Durante el día, bajo la influencia de la luz solar, se produce el crecimiento de algas, las cuales absorben bióxido de carbono, nitratos, fosfatos y otros nutrientes del agua para formar material celular y oxígeno. El oxígeno formado reacciona con las impurezas orgánicas y hace que éstas sean más asimilables por los microorganismos.
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Esquema de pasos en filtros lentos (prefiltro, filtro)
Filtro lento de arena
Comparado con el filtro rápido, requiere de áreas más grandes para tratar el mismo caudal y, por lo tanto, tiene mayor costo inicial. Su simplicidad y bajo costo de operación y mantenimiento lo hace un sistema ideal para zonas rurales. Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado, presedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta. •
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Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal no debe ser mayor de 50 UNT. •
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La maduración de un FLA puede demorar de dos a cuatro semanas. El parámetro de diseño más importante en un FLA es la velocidad de filtración (Vf). La misma debe tener un valor en el rango: 0,1 m3/m2 hora - 0,3 m3/m2 hora •
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Lecho de soporte
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Medio filtrante
