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UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS Ingo. Jorge Arturo Pérez P.

TRATAMIENTO DE AGUAS

IV EH,IBA~Iº~ ----------

l. DEFINIeION

Hacer pasar el agua por un lecho poroso para separar las partículas y microorganismos objetables que no han quedado retenidos en el proceso de sedimentad ón.

•

2. MECANISMOS RESPONSABLES DE LA FILTRACION

Cuando el agua sale de los sedimentadores puede contener aún partículas suspendidas que van desde tamaños relativamente grandes (1 mm) hasta partículas de tamaño coloidal, además de bacterias y virus.

El proceso que se utiliza para separar del agua dichas partículas es la filtración, que ocurre en dos etapas distintas pero complementarias, a saber:

11 _ Transporte de partículas dentro de los poros, mecanismo físico.

Adherencia de ellas a los granos del medio filtrante, mecanismo químico.

2.1 Transporte

2.1.1

los diferentes mecanismos del transporte, que están esquematizados en la Figura de la página siguiente, se describen a continuación.

Cernido: Cuando las partículas suspendidas son de mayor tamaño del lecho filtrante, quedan atrapados en los intersticios.

que los poros ,

2.1.Z Intercepción: Parte de la remoción del f10c se debe a que se establece un co~ tacto entre las partículas f10culentas y los granos del medio filtrante. Es decir, los f10c se pegan a la superficie de los granos.

136



2.1.3 Difusión: Debido al movimiento browniano, existe una tendencia de las partículas pequeñas (f10c o bacterias) a difundirse desde zonas de alta conce~ trac;ón a zonas de baja concentración. Hay que considerar que la mayoría de las partículas que llegan al filtro son menores de 10~

2.1.4 Impacto Inercial: Cuando el agua pasa alrededor de los granos del medio fil trante, la inercia de las partículas que ella contiene hace que tiendan a seguir trayectorias rectilíneas, chocando con los granos y quedando adheridas a ell os.

2.1.5 Sedimentación: Los granos del medio filtrante tienen un área relativamente grande donde los sólidos suspendidos pueden quedar depositados por sedimen tación.

CON\I E.N U() "-l

2.2 Adherencia

El material suspendido en el agua también puede quedar retenido en el medio filtrante por una serie de factores químicos y electroquímicos. Los más import~ntes son los siguientes:

137

•



2.2.1 Fuerzas de Van der Waa1s: Entre las partículas del medio filtrante y las pa~ tícu1as suspendidas se generan un~fuerzas siempre atractivas debido al movimiento de los electrones en sus órbitas, que hace que se unan entre sí.

2.2.2 Fuerzas Electrostáticas: Si los granos del medio filtrante tienen carga contraria a los sólidos suspendidos, se genera entre ellos una fuerza de atra~ ción. Si los granos del medio filtrante son negativos y los sólidos son neutros, en ese caso la barrera de energía ha desaparecido y todo contacto puede producir retención .

2.2.3 Puente Químico: Las cadenas de los pélímeros, que se forman en la coagulación -floculación, dejan libres sus segmentos e~tendidos,los cuales se adhieren a los granos.

3. TIPOS DE FllTRACION

la fi~mción puede efectuarse en muchas formas distintas: con baja carga superficial (filtros lentos) o con alta carga superficial (filtros rápidos),en diferentes medios porosos (arena, antracita, granate, etc) empleando solo un medio (lecho simple) o varios medios (lecho mixto), con flujo ascendente o descendente; por último, el filtro puede trabajar a presión o por gravedad, según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante.

En las plantas de tratamiento de agua potable, tradicionalmente han sido uti lizados filtros de arena o de arena y antracita. En la actualidad son ampli! mente utilizados los filtros rápidos de gravedad, de lecho doble de arena y antracita y de flujo descendente, los cuales vamos a considerar .

•

138 ·

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TIPOS DE FILTROS

SEGUN LA VELOCIDAD SEGUN EL MEDIO SEGUN EL SENTIDO SEGUN LA CARGA DE FIL TRACION FIL TRANTE USADO DEL FLUJO SOBRE EL LECHO

LENTOS ARENA Ascendentes Por Gravedad 2-10 m 3/m 2X d Descendentes

LECHO SIMPLE: RAPIDOS Ascendentes Por Gravedad

120-360 m 3/m 2xd 1- Arena Descenoentes Por Presión 2- Antracita

LECHO MIXTO: a}lecho doble

,

-Arena • ,

RAPIDOS -Antracita Ascendentes Por Gravedad 240-480 m 3/m 'x d b)Lecho Triple Descendentes Por Presión

)

-Arena -Antracita

.

-Granate

4. DESCRIPCION DE UN FILTRO

4.1 Esquema de un Filtro Rápido de Gravedad ' · s .::-- 1

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4.2 Funcionamiento de un Filtro

Supongamos el caso de una sola unidad de filtración. El agua sedimentada es conducida y repartida al filtro mediante un canal con orificios. Como el fil tro inicialmente está limpio, el agua adquiere en la caja del filtro un nivel mínimo suficiente para vencer las pérdidas por fricción que se generan con el paso del agua a través del lecho filtrante, la grava de soporte y el falso fondo. Con el transcurso del tiempo, el lecho filtrante se va obstruyendo paulatinamente, generando cada vez más pérdida de carga hasta que el agua alcanza su nivel máximo dentro del filtro. Antes de que esto suceda, se procede al lavado del filtro. Para ello se cierran los orificios de entrada

140 \

¡



J la válvula de la tubería de agua filtrada, se abre la válvula dea tuberfa . de evacuación de agua de lavado y se inyecta agua en sentido contrario (asce~ dente) a una cierta velocidad con 10 cual el lecho filtrante se expande y el material retenido es arrastrado hasta las canaletas de recolección de agua de lavado. Realizada la limpieza, el filtro queda listo para otra jornada de fil tración.

5. MODELOS MATEMATICOS DE LA FILTRACION

No se ha podido encontrar un modelo matemático que descrlba con precisión el comportamiento de un filtro, por 10 tanto no existe formulación exacta que describa el fenómeno. Los parámetros del proceso que gobiernan el diseño, hay que determinarlos experimentalmente para cada tipo de filtración particular, 10 cual se realiza en un filtro piloto. Otra alternativa es utilizar los parámetros promedios que han demostrado en la práctica buenos resultados.

6. FILTRO PILOTO

Un filtro piloto es una estructura, generalmente de acrílico transparente, donde se reproducen a escala real vertical las condiciones de filtración en la forma como quedará trabajando la planta de tratamiento , con el objeto de determinar acertadamente los parámetros de diseño.

El esquema de un filtro piloto aparece en la página siguiente. Se muestran las dos situaciones de funcionamiento, esto es, en filtración o en lavado del filtro.

6.1 Funcionamiento durante Filtración:

UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS 1ngo. Jorge Arturo Pérez P.


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6.2 Funcionamiento durante Lavado:

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7. COMPONlNTES DE UN FILTRO - DE~CRIPCION

7.1 Lecho Filtrante

•

El lecho filtrante está constituído, para el caso de los filtros de las pla~ tas de tratamiento de aguas, por un material granular como arena y/o antracita.

Las características de un material granular se definen por dos parámetros fu~

142

• •



damentales: el tamaño efectivo (T.E.) y el coeficiente de uniformidad (e.u.). La determinación de ambos se realiza por medio de un análisis granulométrico.

La escogencia del medio filtrante está relacionada con la carga superficial.

Para el caso de lechos de arena:

Espesor del lecho Tamaño efectivo Coeficiente de uniformidad Tamaño máximo Tamaño mínimo Mallas

0.55 m 0.5 a 0.6 ll1I1

< 1.6 1.2 nm

0.42 nm Serie Tyler.

Para el caso de lecho mixto de arena y antracita:

COEFICIENTE

MATERIALES ESPESOR DEL LECHO TAMAÑO EFECTI VO DE Rango Valor Recomen Rango Valor R!comen UNI FORMI DAD (m ) - (m ) dación-Medio dación Medio

(m ) (m )

ANTRACITA 0.45 -O. 70 0.55 0.55 0.7-1.3 1.0 0.9 <1.8

ARENA 0.15-0.30 0.25 0.25 0.3-0 .. 5 0.4 0.4 <1.6

La arena utilizada en los filtros rápidos está compuesta de material silíceo de dureza 7 en la escala de Moh. Debe ser limpia, sin barro ni materia orgánica y menos del 1% podrá ser material laminar o micáceo. Su peso específico es aproximadamente 2.65, en promedio.

La antracita debe ser durable para resistir la abrasión producida por el la

vado sin desintegrarse. Debe tener una dureza mayor o igual a 3.0 en la esca la de MOh. Su peso específico es aproximadamente 1.50, en promedio.

El lecho filtrante funciona de la siguente manera: inicialmente el lecho es-

. 143



•

tá limpio y el agua sedimentada es obligada a pasar por el filtro por acción de la gravedad. Por la combinación de los mecanismos que gobiernan la fl1tr~ ción, el material susppndido es retenido en el lecho filtrante hasta queTIe-

• ga un momento en que éste se aco1mata o se obstruyen demasiado los poros por donde circula el agua, aumentando la pérdida de carga hasta valores que hacen necesario lavarlo. Para esto, 10 que se hace es invertir el sentido del flujo, esto es, que el agua pase de abajo hacia arriba logrando con ésto que los granos del lecho se fluidifiquen , es decir, queden suspendidos por la corriente ascendente a una distancia tal unos de otros que se froten entre si) para de esta manera, eliminar el material por ellos retenido .

•

Después del primer lavado que se hace al filtro, al asentarse nuevamente los granos, el lecho se estratifica quedando las partículas pequeñas arriba y las grandes abajo y como consecuencia, más espacios abajo que arriba. Por la fo~ ma como el agua pasa por el filtro, flujo descendente, el lecho filtrante no se utiliza optimamente debido a que las partículas suspendidas quedan reteni das en la parte superior, precisamente donde menor es el espacio de vacíos y, por consiguiente, menor capacidad de almacenamiento de sólidos. Es decir, los sólidos suspendidos acolmatan el filtro en las caras superiores y no se logra utilizar la parte más eficiente, la más porosa, que es la parte inferior.

Para resolver este problema, se emplean los lechos filtrantes múltiples: La antracita, que se coloca en la parte superior, encima de la arena, debido a

su mayor tamaño efectivo y a su porosidad, permite que el f10c penetre más profundamente haciendo que el filtro no se aco1mate solamente en las capas

superiores. El material suspendido que logre atravesar la antracita, es retenido en la arena. Por esta razón, los nuevos proyectos consideran la utilización de lechos ~a1ti les . ...

1.2 Grava de Soporte

La grava de soporte tiene dos funciones:

- Servir de soporte al medio filtrante para que no se pierda por el drenaje durante la filtración.

144


• ¡ . ,

TRATAmENTO DE AGUAS

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- Hacer que se distribuya uniformemente el agua de lavado, evitando la forma ción de chorros.

Debe ser colocada manualmente durante la construcción del filtro.

Por lo general se coloca una capa de 0.40 m 6 , as 1 :

Posición Espesor (cm) Tamaño (pulg.)

En el fondo 12 2-1

Segunda capa 7 1-1/2

Tercera capa 7 1/2-1/4

Cuarta capa 7 1/4-1/8

Capa superficial 7 1/8-1/12

7.3 Falso Fondo

7.3.1 Funciones: El falso fondo tiene dos funciones:

- Dejar una cámara en la parte inferior del filtro que recoge toda el agua de filtrado uniformemente.

- Distribuir el agua de lavado con presión uniforme.

Si la cámara no es suficientemente grande, la distribución de presión sería

como se muestra en la figura de la página siguiente.

Vl > V2 • Como a mayor velocidad menor presión (V 2 /2 g + Presión = cte), si se aumenta el tamaño de la cámara para que la velocidad se disminuya, to da la cabeza de velocidad tiende a ser pequeña, con lo cual la distribución de presión se uniformiza.

Como una recomendación de tipo general, la altura de la cámara inferior debe ser por lo menos 0.50 m .

145 .



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7.3.2 Tipos de Falso Fondo: Existen varios tipos de falso fondo, entre los que se • pueden mencionar los siguientes:

0 .16

a) Falso Fondo de Asbesto Cemento: Son fabricados en el país,Tienen las si guientes dimensiones:

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Para datos adicionales puede consultarse el manual de Eternit.

b) Falsos Fondos Prefabricados:

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IRATAMIENTO DE AGUAS

8. JORNADA DE TRABAJO O CARRERA DE UN FILTRO

9.

,

Es el periodo atil de filtraci6n entre lavados. Para el caso de filtros rápi dos con lecho doble de arena y antracita, el tiempo entre limpiezas es de 12 a 48 horas. Para el caso de filtros rápidos de arena, de 24, 48 6 72 horas .

•

Para el caso de filtros lentos de arena, es de 20, 30 6 60 dias.

/ I

PER DIDA DE CARGA DURANTE LA FILTRACION / ,

Al pasar un caudal Q a través de un lecho granular de ' profundidad L, la fri~ ci6n del flujo a través de los poros produce una pérdida de carga. Al comen

zar la filtraci6n, y como el filtro está limpio, la pérdida de carga se debe anicamente al tamaño, forma y porosidad de los la viscosidad y velocidad del agua. Si el agua pensión, esta pérdida de carga seria constante

granos del lecho filtrante y a no tuviera particu?as en sus-

\ durante toda la carrera, pero \

como contiene sólidos, estos van a depositarse en los granos haciendo que los canales por donde circula el agua se vayan estrechando, motivo por el cual la velocidad del agua aumenta para conservar el mismo caudal, y con ello, hay . un incremento en la pérdida de carga a medida que transcurre el tiempo.

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Ingo. Jorge Arturo Pérez P.


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•

La forma que adquiere la curva se debe a que el filtro se va acolmatando más en las primeras capas y no uniformemente, es decir, el floc no alcanza a penetrar y distribuirse en todoel lecho filtrante.

Hay que considerar dos tipos de pérdida de carga:

La pérdida de carga inicial (ha) que se presenta cuando el lecho está com pl~tamente limpio .

- La pérdida de carga por acolmatación (h 0 (t) ) que va aumentando con el tiempo.

La pérdida de carga final (hf) será entonces:

hf = ha + h 0 (t)

9.1 Pérdida de Carga Final (hf)

La pérdida de carga final puede llegar a ser tan grande que haga que se pre

sente una presión hidrostática negativa, que puede ocasionar el taponamiento del filtro: cuando el agua está saturada de aire, cualquier disminución de la

presión sobre el líquido, de acuerdo con la ley de Henry, rompe el equilibrio de la interfase. La ley de Henry establece que lila concentración de un gas en un líquido depende de la presión parcial sobre la solución ll

, o sea que la ca~ tidad de gas que puede ser disuelto o expelido de un líquida depende de la

presión parcial que exista sobre él. Al disminuir la presión, el gas se esca pa.

El oxígeno disuelto que contiene el agua, al presentarse una presión negativa, es liberado y va a ocupar los poros del medio filtrante, disminuyendo aún

más el área por donde el agua puede circular, con el consiguiente aumento de la pérdida de carga. El oxígeno puede llegar a obstruir el filtro. Lo que hay

que evitar es que se presente la presión hidrostática negativa, lo que se pu~ de lograr de dos naneras:

•

148 .



•

1 - Aumentando la altura de la lámina de agua sobre el filtro.

2 - No dejando que el filtro se acolmate hasta valores extremos, controlando, por medio de medidores, la pérdida de carga que se va presentando;y la

vando antes de un determinado valor de pérdida de carga.

Con respecto a la altura de la lámina de agua sobre el lecho, se ve que cua~ to menor sea su valor, más fácilmente se obtienen presiones negativas y mayor posibilidad existe de que se presenten obstrucciones por aire. Para evitar este problema, los filtros tradicionalmente se construyen con capas de agua comprendidas entre 1.40 y 1.80 m por encima de la superficie del lecho filtrante.

9.2 Pérdida de Carga Inicial (ho) •

La pérdida de carga iricial tiene la forma: h - KV, siendo V la velocidad de fi ltraci ón.

Camp propuso la siguiente fórmula para determinar la pérdida de carga inic i al:

donde:

h KV I= g

di -

L = espesor del 1 echo fi ltrante h - pérdida de carga inicial k - coeficiente: 6

- factor de forma

para 6 - -'1'

régimen laminar

po - porosidad del lecho no expandido -V = viscosidad cinemática

dl y d2 = diámetro mayor y menor del material retenido entre dos mallas.

149



La fórmula anterior es difícil de manejar y por eso se presentan las fórmulas para la arena y la antracita resultantes para los medios granulares utilizados en América, y que son una transformación de la anterior, así:

Para arena:

Para antraci ta:

h L = 0.9 x la-3\(

donde:

v = (m 3/m 2 x d )

Hay que considerar adicionalmente la pérdida de carga en la grava de soporte y el falso fondo:

Para la grava de soporte:

donde:

v = (m /min)

Para el falso fondo:

donde:

q - caudal por cada orificio (m 3/S )

150

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TRATAMlfNTO DE AGUAS

. ~------------------------------------------------------------------------~ C - 0.7 a 0.8 A - Area de cada orificio (m 2)

La pérdida de carga inicial se utiliza para determinar el nivel mínimo de agua en el filtro, cuando la rata de filtración es constante.

10. RATA DE FILTRACION O CARGA SUPERFICIAL

Las ratas de filtración pueden ser consultadas en el cuadro de la página 135. Dentro de estos rangos, el valor de diseño puede ser escogido teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

La eficiencia remoc;onal de bacterias de los filtros operados a 300 m 3/ m 2 X d es la misma que para filtros operados a 120 m 3/m 2 x d.

- La turbiedad residual del agua filtrada a 240-300 m 31m 2 x d no es apreciablemente mayor que la obtenida.con 120 m 31m 2 x d.

- A medida que se filtra a una rata mayor, la carrera de filtración se acor ta proporcionalmente, pero la cantidad de agua producida entre lavado y

lavado se aumenta. En otras palabras, lo que debe considerarse es el volu men total de agua que se puede obtener durante el período de servicio del filtro. Se puede obtener el mismo volumen con baja rata y largas carreras o con alta rata y cortas carreras.

La rata de filtración más alta posible produce la mínima área superficial y con ello el mínimo costo inicial.

11. NU~lERO DE FILTROS

El número mínimo de unidades depende del tamaño que se quiera dar a cada una y la rata de filtración con que se quiera trabajar, para un determinado caudal de diseño. Lo más económico sería hacer una sola unidad,pues el número de ta-

• biques, válvulas, etc., sería mínimo. Sin embargo, por razones de operación,

hay que hacer por lo menos 3 unidades, excepcionalmente 2, cuando se usa lava

151

UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE ~HrlAS

lngo. Jorge Arturo Pérez P. TRATAMIENTO DE AGUAS

I

do convencional (agua proveniente de un tanque) y por 10 menos 4 cuando se lava un filtro con el flujo de los otros (sistema autolavante), de manera que aún cuando una unidad estuviera fuara de servicio por repa~ación y dtra se estuviera lavando, aún quedarían una o dos trabajando.

Morri1 y Wal1ace en 1934 sugirieron la siguiente expresi6n para calcular el nú mero de filtros:

n = 0.044 ro donde:

n = número de unidades Q - caudal de la planta (m 3/ d )

12. FORMA Y DIMENSIONES DE LOS FILTROS

Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en planta (ancho y largo) son establecidas teniendo en cuenta lo siguiente:

- Que la geometría de los filtros se acomode al esquema general de la planta, trantando de aprovechar los muros de las otras unidades, con lo que se logra máxima economía de la estructura.

- Tipo de lavado auxiliar: cuando se hace lavado superficial, los dispositivos

de lavado condicionan las dimensiones de los filtros.

- El espaciamiento y las dimensiones de las canaletas de recolección del agua de lavado.

- Tipo de falso fondo utilizado.

La profundidad es función de lo siguiente:

- Altura del falso fondo.

152

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- Altura de la grava y el lecho filtrante.

- Altura de la lámina de agua sobre el lecho filtrante.

- Altura del borde libre.

13. SISTH1AS DE OPERACION DE LOS FILTROS

TRATAI'UENTO DE AGUAS

Los filtros rápidos, cualquiera que 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 de

jando la válvula efluente abierta, el nivel de agua en el filtro no se restabl~ ce sino que, por el contrario, queda la superficie del lecho descubierta. A medida que progresa la carrera de filtración, la pérdida de carga aumenta y el nivel de agua en el filtro va subiendo en proporción hasta rebasarlo por completo si no se toman medidas a tiempo, lavando la unidad o cerrando el af1uen te.

Los sistemas de control de los filtros puede sintetizarse así:

RATA DE FIL TRA

CION CONSTANTE

RATA DE FILTRA

ClON DECLI NANTE

Control de Flujo

Contra 1 de Ni ve 1

Vénturi

Pi s tón Flotante

Sifón Válvula Mariposa y

Flotador

Afluente igualmente distribuido: Canal con vertederos Laterales .

Con Vertedero de Control Sin Vertedero de Control

153

-

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13.1 Rata de Filtración Constante

13.1.1 Control deRujo: Para controlar el efluente de un filtro se inserta en la t~ bería de salida un complejo sistema como el que se muestra en la figura. El sistema es bastante costoso y de difícil operación y mantenimiento. Tiene la ventaja de que se sabe el caudal que está produciendo cada filtro y por ser constante ofrece simplicidad de la operación hidráulica de la planta.

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13.1.2 Control de Nivel: Las variaciones de la altura del agua, cial o en la caja del filtro, pueden usarse para regular

~ en una camara esp~ el caudal. Basta

transmitir estas variaciones a un aparato hidráulico que disminuya o aumente el paso del flujo, según varíe el nivel del agua, para mantener un nivel aproximadamente constante y con esto un caudal constante. Tiene1as mismas . ventajas y desventajas que el sistema anterior.

A continuación se muestra el sistema de válvula mariposa y flotador.

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13.1.3 Afluente Igualmente Distribuido: Un sistema muy simple de controlar el flu jo en los filtros es regularlo a la entrada colocando un orificio o vertedero que deje pasar un gasto constante.

En los filtros de este tipo~el nivel de agua va aumentando con el tiempo desde A hasta B y el lavado se hace cuando llega a este límite, 10 que h~ ce innecesario el uso de medidores de pérdida de carga.El inconveniente e~ tá en que, por este motivo, el filtro resulta profundo pues hay que dejar entre 1.40 a 2.00 m para la variación del nivel sobre las canaletas, 10 que implica el uso de capas de agua de 2.00 a 2.70 m sobre el lecho .

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F~L";:,C) ~O~l)O 1n~~N 13.2 Rata de Filtración Declinante

La tendencia natural de todo medio filtrante granular es ir disminuyendo su permeabilidad a medida que se prolonga su tiempo de servicio y, por lo tanto, ir mermando su capacidad filtrante. Por consiguiente, al intr~

ducir controladores de caudal en el efluente de un filtro se violenta este principio pues se le fuerza a trabajar, tanto al principio como al final de la carrera, con la misma carga superficial.

En cambio, si se permite que a medida que el lecho se vaya obstruyendo su rata de flujo disminuya, se consigue por 10 general un mejor efluente.

Para que esto sea posible, la condición básica es la de que todos los fi1 tras actuen conjuntamente como vasos comunicantes, de modo que el que esté limpio trabaje con la máXi ma velocidad, mientras que el que esté sucio lo haga con la mínima. En estas condiciones el flujo que entra y sale de la

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UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD

Ingo. JOrge Arturo Pérez P.


batería de filtros es constante; pero cada unidad, en cada momento, está produciendo un gasto distinto según el grado de limpieza en que se encue~ treo A medida que va progresando la carrera, la unidad que disminuye su rata de filtración transfiere el caudal que deja de filtrar a las otras.

Esto requiere que el canal de alimentación y la válvula de entrada sean 10 su ficientemente amplios como para que el agua pueda en todo instante llegar a cualquier filtro con un mínimo de pérdida de carga.

Por otra parte, la entrada del afluente a la caja del filtro debe estar por debajo del nivel de aguas mfnimo para que la distribución proporcional del flujo se pueda realizar.

En estas condiciones, la altura del agua sobre el lecho es la misma en todas las unidades y va subiendo lentamente a medida que la pérdida de carga aumenta.

Los fi ltros de rata dec1 i mnte pueden operarse con o sin vertedero de control, como se verá a continuación.

13.2.1 Filtros con Rata Declinante y Vertedero de Control: La altura de la lámina de agua puede variar desde A hasta B. Cuando se alcanza el nivel máximo pe~ misib1e (B), se lava el filtro que lleva el mayor número de horas de servicio, con b que el nivel en todos los filtros desciende hasta estabilizarse en una posición más baja. A partir de ese momento el nivel vuelve a subir, y así sucesivamente.

Deben tomarse precauciones para que al comienzo de la carrera, cuando recién se lava un filtro. no se "desboque" trabajando con una rata demasiado alta que produzca un efluente de inferior calidad. Para evitar esto, se puede colocar un orificio en el tubo de salida como se indica en la figura, calculándolo para que no permita pasar más del 50% en exceso sobre el caudal promedio.

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10 ""'\<.\0 13.2.2 Filtros de Rata Declinante sin Vertedero de Control: Este es un sistema

especialmente aconsejable para plantas de tratamiento en funcionamiento cuyos reguladores de caudal estén descompuestos.

Se parece en todo al método anterior, siendo la única diferencia que al iniciar la operación del filtro después de lavado, es necesario controlar manualmente el nivel del agua en él, cerrando parcialmente la válvula de salida hasta alcanzar un nivel 5 a 10 cm , por encima del borde superior de las canaletas de lavado, y manteniéndola así durante toda la carrera.

14 LAVADO DE LOS FILTROS

14.1 Definición

Es la operación en que se suspende la filtración en una de las unidades y se invierte en ella el sentido del flujo con una velocidad tal que se pr~ duzca una expansión del 1echo~suficiente

tre sí y desprendan todo el material que rante la operación de filtrado.

Se debe ejecutar:

para que los granos ha quedado retenido

se froten en -en ellos du-

a) Cada vez que la pérdida de carga en cualquier unidad sea igual a la car ga máxima (B) sobre el lecho.

b) Cuando la calidad del ef luente de cual quier unidad se desmejora.

Lo que se presente primero.

157

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1n90. Jorge Arturo Pérez P.

14.2 Hidráulica del Lavado


14.2.1 Expansión del Lecho Filtrante: Al inyectar agua por el fondo de un lecho granular tres cosas pueden ocurrir:

a) Si la velocidad ascensional de lavado es menor que la velocidad de asentamiento de las partículas del medio filtrante, el lecho no se expa~ de y por 10 tanto no hay un lavado adecuado.

b) Si se sigue aumentando la velocidad de lavado hasta hacer que la velocidad ascensional sea mayor que la velocidad de asentamiento de los gr! nos, el lecho se expande, aumenta su porosidad y el lavado es efectuado completamente.

c) Si la velocidad de lavado sobrepasa un cierto valor crítico, los granos del lecho son arrastrados por el agua, perdiéndose por las canaletas de reco1ecci6n de agua de lavado. Además, la excesiva separac16n entre los granos en nada beneficia su limpieza.

Lo deseable es inyectar agua con una cierta velocidad ascensional que haga que el medio filtrante alcance una expansión óptima para que, de esta manera, se realice la limpieza con la menor cantidad de agua, que conduce a la máxima economia de operaci6n, si se tiene en cuenta que el agua para lavado de los filtros es agua previamente filtrada.

Según el tipo de medio filtrante empleado, este necesita para su lavado una determinada expansión que debe ser mantenida durante cierto periodo de tiempo, de forma que el material retenido durante el proceso de filtración sea arrastrado por el agua en su camino ascendente y, de esta manera, logre la limpieza adecuada de los granos. para el comienzo de una nueva carrera de filtraci6n. La velocidad de lavado necesaria para producir dicha expansión depende fundamentalmente de la granulometría, densidad y forma de los granos del medio filtrante y de la temperatura del agua.

158

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Existen varias fórmulas de cálculo que relacionan entre sí las anteriores variables,pero los experimentos realizados en filtros pi10to ~ y los resul tados obtenidos en las plantas en funcionamiento,indican que los resultados obtenidos por la aplicación de los métodos tradicionales de cálculo difiermde los resultados obtenidos en la práctica. Si se quiere tener cer teza del comportamiento de los filtros, deben realizarse estudios en filtros pilotos, para cada situación particular; de lo contrario es necesario adot tar parámetros de tipo general .

Para filtros rápidos de arena con tamaño efectivo entre 0.4 y 0.5 mm, o en los filtros de lecho mixto de arena y antracita, basta una velocidad asce~ siona1 del agua de lavado de 0.5 a 0.6 m Imin., suficiente para una expansión del 10% al 30%. El lavado debe ser realizado durante 4 a 6 mino y co~

plementado con lavado superficial preferiblemente, que en caso de plantas pequeñas puede ser realizado manualmente con manguera.

14.2.2 Pérdida de Carga en el La d va o: 'q - -- 5

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Para la condición de equilibrio, cuando el lecho filtrante se encuentra fluidificado, la pérdida de carga debe ser igual al peso de las partículas

en el agua, o sea:

F.arrastre = llpA = JghA (1)

Peso aparente = (fs - J) gV = (fs-.f)g A Lo(1-Po) (2)

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• UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS TRATAMIENTO bE AGUAS lngo. Jorge Arturo Pérez P.

(1) = (2):

JghA = {Js:f)gA Lo( l-Po} •

Despejando h :

h = (JI-Y) Lo( l-Po)

I h = (Ss-1) lo(110 ) I Pérdida de carga en el lavado

donde: Lo = Altura del lecho sin expandir Po = porosidad del lecho sin expandir Ss = Densidad relativa de los granos en el agua.

Se puede concluir que la pérdida de carga del lecho filtrante es constante, independiente de la expansi6n que se dé y, consecuentemente, independiente de la velocidad de lavado, cuando el lecho está fluidificado.

Adicionalmente a la pérdida de carga en el lecho, hay que considerar la pé~ dida de carga en la grava de soporte, el falso fondo y las diferentes pérdi das locales, las cuaes pueden ser computadas de manera idéntica a como fue discutido en la pérdida de carga en fi1traci6n, para la velocidad ascensi~ na1 correspondiente.

14.3 Cantidad de Agua de Lavado

Establecida la velocidad ascensional del agua, es posible calcular el caudal de agua necesario, así:

donde: Q = V x A

v = velocidad ascensional ( m Imin ) A = Area (m 2)

Q = caudal (m 3/mi n)

160 .

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El volumen total de agua necesaria para el lavado de un filtro será:

v = Q x t

donde:

t = tiempo del lavado (min)

El lavado superficial es independiente y exige una cantidad mucho menor de agua.

14.4 Sistema de Lavado

El lavado de los filtros puede hacerse de cuatro maneras distintas:

a) Lavado con flujo ascendente solo. b) Con flujo ascendente y lavado superficial. c) Con flujo ascendente y aire. d) Con flujo ascendente y lavado subsuperficial.

Los más utilizados en nuestro medio son los dos primeros, y solo se hará referencia a ellos.

14.4.1 Flujo Ascendente solo: El agua se inyecta por los drenes con una velocidad •

tal que produzca la expansión deseada del lecho.

La expansión utilizada difiere según el lugar: Práctica Americana: 10% al 50% Práctica Europea: 16% al 18% Práctica Brasi1era: 10% al 30%

En realidad debe condicionarse para cada tipo de lecho filtrante. Siempre a mayor temperatura, mayor velocidad es necesaria para producir la misma

. ~ expanSl0n.

161



14.4.2 Flujo Ascendente y Lavado Superficial: El ovado ascensional se complementa, cuando es necesario, con el lavado superficial) que consiste en lanzar agua a presión sobre la saperficie del lecho. Se utiliza para remover el lodo que se deposita en las primeras capas del lecho y que hace perder eficiencia a la filtración y al lavado ascendente. Se utiliza más que todo en fil tros de arena.

El método consiste en sacar de funcionamiento el filtro y dejar que se v~ cfe hasta mas o menos unos 30 cm. sobre la superficie del lecho y a continuación inyectar sobre él agua a presión por unos cuantos minutos; luego se efectúa el lavado ascensional como fué anteriormente descrito.

Las formas para aplicar el agua para el lavado superficial son las siguientes:

• • a) - Sistema Rotatorio:

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QLavado: 30-80 1 Imin x m2

Presión: 30-40 m de c. de 8.

b) - Sistema Estacionario:

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QLavado: 80-160 l/min x m2

Presión: 15-30 m de c. de a. Agujeros: máximo a 0.30 m centro a centro.

14.5 Métodos para Aplicar el Agua de Lavado

El agua de lavado puede provenir de:

a) Un tanque elevado b) Un sistema de bombeo


c) Otros filtros trabajando en paralelo (sistema auto1avante)

14.5.1 Tanque Elevado: El tanque puede estar colocado:

1 - Sobre una colina. 2 - Sobre estructuras de acero o concreto. 3 - Sobre el edificio mismo de la planta.

Debe quedar 10 más próximo posible a los filtros para reducir la pérdida de carga en el transporte del agua.

Capacidad del tanque:

La capacidad está condicionada por el número de filtros y debe ser suficie~ te para lavar una unidad por un período de 6 minutos. Se debe dar capacidad adicional para el agua de lavado superficial.

El volumen puede calcularse así:

donde:

A = Area de un filtro. t s= tiempo de lavado superficial.

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qs= Rata de flujo del lavado superficial. ta= Tiempo de lavado ascencional. qa= Rata de flujo de lavado ascencional. n = Número de unidades (filtros)

Altura del Tanque:


La cota del fondo del tanque con respecto a la canaleta de recolección de agua de lavado, se calcula considerando las siguientes pérdidas cuando el lecho está expandido:

- Pérdida de carga en 1 a arena. - Pérdida de carga en la antracita. - Pérdida de carga en la grava de soporte. - Pérdida de carga en el fa 1 so fondo. - Pérdida de carga en tuberías y accesorios.

Llenado del Tanque: Para llenar el tanque hay que instalar un sistema de bombeo Eon sistema de arranque y parada automático. Su capacidad depende del número de filtros, la frecuencia de lavado y el número de lavados diarios, de forma que mantenga el tanque elevado con capacidad suficiente para lavar en cualquier momento. La potencia de las bombas depende de la altura a que se coloque el tanque elevado.

14.5.2 Lavado Con Bomba: Si se lava por inyección directa con bombas, éstas suelen ser de gran capacidad y baja presión y no debe especificarse menos de dos unidades .

La carga hidráulica total de la bomba puede calcularse de la misma forma en que se calcula la altura del tanque elevado. Las bombas toman el flujo del tanque de distribución o de aguas claras.

14.5.3 Lavado con Flujo provenien~de otras unidades: Se basa en el hecho de que si se deja la salida del efluente a un nivel mayor que la de la canaleta de lavado y se interconectan los filtros, al abrir la válvula de drenaje

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UNIVERSIDAD NACIONAL - FACULTAD DE MINAS In90. Jorge Arturo Pérez P.


el nivel en la caja de la unidad que se quiere lavar desciende con 10 que se establece una carga hidráulica que invierte el sentido del flujo en el lecho filtrante y efectúa el lavado.

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Cuando se llega a la máxima pérdida de carga permisible por filtración hf, el nivel del agua sube hasta la cota N, y es necesario lavar un filtro, para 10 cual se abre la válvula o compuerta A, de modo que el nivel en él de~ ciende rápidamente. En estas condiciones se establece una carga negativa hL y el flujo se invierte. Para que esto sea posible, el gasto de todas las uni dades que no se están lavando debe ser por 10 menos igual al necesario para lavar una. De 10 contrario el nivel en e1 canal B descenderfa y la presión de lavado hL podría ser insuficiente. La pérdida total de carga para lavar un filtro por este sistema es de solo 55 a 80 cm, lo que permite la constru~ ción de estructuras solo ligeramente más profundas que las convencionales.

15 SISTEMAS DE RECOLECCION DEL AGUA DE LAVADO

Para recoger el flujo ascendente durante el lavado debe diseñarse un siste ma de recolección. Este sistema puede consistir de:

a) Canal principal con canaletas laterales. b) Canal principal solo.

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Existen gran cantidad de fórmulas para el cálculo de las canaletas. Una de ellas puede ser la siguiente:

Q = 1.3 b Ho/z (Sección rectangular) donde:

- Q = Caudal (m 3/5 )

b = ancho de la canaleta (m ) H = altura máxima del agua (m )

Deben ser colocadas con un espaciamiento máximo de 2.10 m entre bordes y 1.05 m entre el borde y la pared del filtro.

La altura libre entre las canaletas y el lecho no expandido debe ser igual a la expansión total más 0.15 m de holgura.

h = % expansión x espesor del lecho + 0.15 m

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