Universidad Nacional de Ingeniera Recinto Universitario Pedro Arauz Palacios Facultad de Tecnologa de la Construccin Departamento de Hidrulica Ingeniera Sanitaria II

Universidad Nacional de IngenieraRecinto Universitario Pedro Arauz PalaciosFacultad de Tecnologa de la ConstruccinDepartamento de HidrulicaIngeniera Sanitaria IIElaborado por:Jael Krystal Arcia QuirozScarleth Junieth Osorio PeraltaJos Lus Prez EscotoJorge Alberto Quant GutirrezFiltros LentosIntroduccinLa filtracin es un proceso mediante el cual se purifica el agua hacindola pasar a travs de un material poroso. En la filtracin lenta en arena se usa un lecho de arena fina a travs del cual el agua se cuela lentamente hacia abajo (figura).

Debido al tamao del grano fino, los poros del lecho del filtro son pequeos: la materia suspendida presente en el agua cruda es retenida mayormente en los 0.2 2cm., superiores del lecho del filtro.

Esto permite la limpieza del filtro raspando la capa superior de arena. Como se usan tasa bajas de filtracin (0.1 -0.3 m/hora = 2 7 m3/m2 da) el intervalo entre dos limpiezas sucesivas ser bastante largo, usualmente varios meses.

La operacin de limpieza no necesita tomar ms de un da, pero despus de la limpieza se requiere uno o dos das ms para que el lecho de filtro sea nuevamente completamente efectivo.

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FuncionalidadEs un proceso que se desarrolla en forma natural, sin la aplicacin de ninguna sustancia qumica, pero requiere un buen diseo, as como una apropiada operacin y cuidadoso mantenimiento para no afectar el mecanismo biolgico del filtro ni reducir la eficiencia de remocin microbiolgica.

La filtracin biolgica (o filtracin lenta) se consigue al hacer circular el agua cruda a travs de un manto poroso de arena.

Durante el proceso las impurezas entran en contacto con la superficie de las partculas del medio filtrante y son retenidas, desarrollndose adicionalmente procesos de degradacin qumica y biolgica que reducen a la materia retenida a formas ms simples, las cuales son llevadas en solucin o permanecen como material inerte hasta un subsecuente retiro o limpieza.

Los procesos que se desarrollan en un filtro lento se complementan entre s, actuando en forma simultnea, para mejorar las caractersticas fsicas, qumicas y bacteriolgicas del agua tratada.

El agua cruda que ingresa a la unidad permanece sobre el medio filtrante de tres a doce horas, dependiendo de las velocidades de filtracin adoptadas.En este tiempo, las partculas ms pesadas que se encuentran en suspensin se sedimentan y las partculas ms ligeras se pueden aglutinar, llegando a ser ms fcil su remocin posterior.

Durante el da y bajo la influencia de la luz del sol se produce el crecimiento de algas, las cuales absorben bixido de carbono, nitratos, fosfatos y otros nutrientes del agua para formar material celular y oxgeno.

El oxgeno as formado se disuelve en el agua y entra en reaccin qumica con las impurezas orgnicas, haciendo que stas sean ms asimilables por los microorganismos.

En la superficie del medio filtrante se forma una capa, principalmente de material de origen orgnico, conocida con el nombre de schmutzdecke o piel de filtro, a travs de la cual tiene que pasar el agua, antes de llegar al propio medio filtrante. El schmutzdecke est formado principalmente por algas y otras numerosas formas de vida, tales como plankton, diatomeas, protozoarios, rotferas y bacterias.

La accin intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y degrada la materia orgnica contenida en el agua. Las algas muertas, as como las bacterias vivas del agua cruda son tambin consumidas en este proceso.

Al mismo tiempo que se degradan los compuestos nitrogenados se oxigena el nitrgeno. Algo de color es removido y una considerable proporcin de partculas inertes en suspensin son retenidas por cernido.

Habiendo pasado el agua a travs del schmutzdecke, entra al lecho filtrante y es forzada a atravesarlo en un proceso que normalmente toma varias horas, desarrollndose un proceso fsico de cernido que constituye una parte del proceso total de purificacin.

Una de las propiedades ms importantes del manto filtrante es la adherencia, fenmeno resultante de la accin de fuerzas elctricas, acciones qumicas y atraccin de masas.

Para apreciar la magnitud e importancia de este fenmeno, es necesario visualizar que un metro cbico de arena con las caractersticas usuales para filtros lentos tiene una superficie de granos de cercade 15,000 m2.

Cuando el agua pasa entre los granos de arena con un flujo laminar (el cual cambia constantemente de direccin) se facilita la accin de las fuerzas centrfugas sobre las partculas y la adherencia a la superficie de los granos de arena.

En los poros o espacios vacos del medio filtrante (los cuales constituyen aproximadamente el 40% del volumen) se desarrolla un proceso activo de sedimentacin, fenmeno que se incrementa apreciablemente por la accin de fuerzas electrostticas y de atraccin de masas.

Debido a los fenmenos enunciados anteriormente, la superficie de los granos de arena es revestida con una capa de una composicin similar al schmutzdecke, con bajo contenido de algas y partculas, pero con un alto contenido de microorganismos, bacterias, bacterifagos, rotferas y protozoarios; todos ellos se alimentan y absorben las impurezas y residuos de los otros. Este revestimiento biolgico es muy activo hasta los 0.40 m de profundidad en el medio filtrante.

Predominan diversas formas de vida en las diferentes profundidades y se desarrolla una mayor actividad biolgica cerca de la superficie del manto filtrante, donde las condiciones son ptimas y existe gran cantidad de alimento.

El alimento consiste esencialmente en partculas de origen orgnico, llevadas por el agua.

El revestimiento orgnico mantiene a las partculas que se encuentran en suspensin en el agua hasta que se degrada la materia orgnica y es asimilada por el material celular, el cual a su vez es asimilado por otros organismos y convertido en materia inorgnica, tal como agua, bixido de carbono, nitratos, fosfatos y sales que son arrastradas posteriormente por el agua.

En el extremo final del manto filtrante disminuye la cantidad de alimento, producindose otro tipo de bacterias, las cuales utilizan el oxgeno disuelto en el agua y los nutrientes que se encuentran en solucin.

Como consecuencia de los procesos indicados anteriormente, un agua cruda que ingresa en el filtro lento con slidos en suspensin en estado coloidal y amplia variedad de microorganismos y complejas sales en solucin sale virtualmente libre de tales impurezas y con bajo contenido de sales inorgnicas en solucin. Caractersticas de un filtro Lent0Es un filtro de flujo descendente de una caja rectangular o circular a la cual se coloca de 0.90 m a 1.20 m de arena fina sobre 0.40 a 0.45 m de grava gruesa. Encima del lecho filtrante se deja una capa de agua a 1.00 a 1.50 m y debajo de la grava se coloca un sistema de drenes apropiado.

La tasa de filtracin llega a ser 200 veces menor que la empleada en la filtracin rpida, de modo que el agua puede demorar 2 o ms horas (hasta 12 horas) de la entrada a la salida de los mismos.

La retencin de las impurezas se manifiesta en 40 cm. De profundidad.

Mecanismos de RemocinEn el proceso de filtracin lenta actan varios fenmenos o mecanismos fsicos similares a los de la filtracin rpida previos al mecanismo biolgico que desinfecta el agua, algunos de los cuales hemos mencionado. Estos mecanismos son muy importantes, dado que permiten la concentracin y adherencia de las partculas orgnicas al lecho biolgico para su biodegradacin.

Mecanismos de transporte

Mecanismo de adherencia

Mecanismo biolgico de la desinfeccin

Mecanismos de transporteEsta etapa de remocin bsicamente hidrulica ilustra los mecanismos mediante los cuales ocurre la colisin entre las partculas y los granos de arena. Estos mecanismos son: cernido, intercepcin, sedimentacin, difusin y flujo intersticial.

Cernido: En este mecanismo, las partculas de mayor tamao que los intersticios del material filtrante son atrapadas y retenidas en la superficie del medio filtrante.

Intercepcin: Mediante este mecanismo las partculas pueden colisionar con los granos de arena.

Sedimentacin: Este mecanismo permite que las partculas sean atradas por la fuerza de gravedad hacia los granos de arena, lo que provoca su colisin. Este fenmeno se incrementa apreciablemente por la accin de fuerzas electrostticas y de atraccin de masas.Figura 1. Sedimentador convencional de forma reangular y flujo horizontal

Difusin: Se produce cuando la trayectoria de la partcula es modificada por micro variaciones de energa trmica en el agua y los gases disueltos en ella, lo cual puede provocar su colisin con un grano de arena.Flujo intersticial: Este mecanismo se refiere a las colisiones entre partculas debido a la unin y bifurcacin de lneas de flujo que devienen de la tortuosidad de los intersticios del medio filtrante. Este cambio continuo de direccin del flujo crea mayor oportunidad de colisin.

Mecanismo de adherenciaEste mecanismo es el que permite remover las partculas que, mediante los mecanismos antes descritos, han colisionado con los granos de arena del medio filtrante. La propiedad adherente de los granos de arena es proporcionada por la accin de fuerzas elctricas, acciones qumicas y atraccin de masas as como por pelcula biolgica que crece sobre ellos, y en la que se produce la depredacin de los microorganismos patgenos por organismos de mayor tamao tales como los protozoarios y rotferas.

Mecanismo biolgico de la desinfeccinComo se indic anteriormente, la remocin total de partculas en este proceso se debe al efecto conjunto del mecanismo de adherencia y el mecanismo biolgico.

Es necesario que para que el filtro opere como un verdadero sistema de desinfeccin se haya producido un schmutzdecke vigoroso y en cantidad suficiente. Solo cuando se ha llegado a ese punto, el FLA podr operar correctamente. Entonces se dice que el filtro (o el manto) est maduro.

Al iniciarse el proceso, las bacterias depredadoras o benficas transportadas por el agua utilizan como fuente de alimentacin el depsito de materia orgnica y pueden multiplicarse en forma selectiva, lo que contribuye a la formacin de la pelcula biolgica del filtro.

Estas bacterias oxidan la materia orgnica para obtener la energa que necesitan para su metabolismo (desasimilacin) y convierten parte de sta en material necesario para su crecimiento (asimilacin).

As, las sustancias y materia orgnica muerta se convierten en materia viva. Los productos de la desasimilacin son llevados por el agua a profundidades mayores y son utilizados por otros organismos.

El contenido bacteriolgico est limitado por el contenido de materia orgnica en el agua cruda y es acompaado de un fenmeno de mortalidad concomitante, durante el cual se libera materia orgnica para ser utilizada por las bacterias de las capas ms profundas y as sucesivamente.

De este modo, la materia orgnica degradable presente en el agua cruda se descompone gradualmente en agua, dixido de carbono y sales relativamente inocuas, como sulfatos, nitratos y fosfatos (proceso de mineralizacin), los cuales son descargados en el efluente de los filtros.

La actividad bacteriolgica descrita es ms pronunciada en la parte superior del lecho filtrante y decrece gradualmente con la Profundidad y la disponibilidad de alimento.

Cuando se limpian las capas superiores del filtro se remueven las bacterias, siendo necesario un nuevo perodo de maduracin del filtro hasta que se logre desarrollar la actividad bacteriolgica necesaria.

A partir de 0,30 a 0,50 m de profundidad, la actividad bacteriolgica disminuye o se anula (dependiendo de la velocidad de filtracin); en cambio, se producen reacciones bioqumicas que convierten a los productos de degradacin microbiolgica (como aminocidos) en amonaco y a los nitritos en nitratos (nitrificacin).

Como el rendimiento del filtro lento depende principalmente del proceso biolgico, mientras la capa biolgica est desarrollndose, la eficiencia es baja y no debe considerarse al Filtro Lento como un eliminador de materia orgnica, sino como un mejorador de la calidad del agua, sobretodo de la Turbiedad. La maduracin de un FLA puede demorar de dos a cuatro semanas.

Componentes de un Filtro LentoEstructuras de IngresoCmara de Distribucin: vertederos, compuertas, cmaras de alivio.Canal de distribucinCompuertas, vertederos de ingreso

Caja de Filtro: Se disean como mnimo 2 unidades y estn compuestas por:Medio Filtrante: material granular (arena) con espesor de 0.80 a 1.0 m. Tamao efectivo 0.15