tratamiento de agua filtracion

1. Lectura N°5 U2(U2.5): FILTRACION DEL AGUA POTABLE
En general, se considera la filtración como el paso de un fluido a
través de un medio poroso que retiene la materia que se encuentra en
suspensión. En las principales instalaciones de filtración, los filtros
sueles ser abiertos, mientras los filtros cerrados suelen utilizarse para
instalaciones pequeñas (menor de 40m3/h).
En las instalaciones de filtración de las estaciones de tratamiento
de agua, el medio poroso suele ser generalmente arena, arena +
antracita o bien carbón activo en grano, y la materia en. suspensión
está constituida por flóculos o microflóculos procedentes de la etapa
anterior de decantación o bien formados expresamente cuando se
sigue el proceso conocido como "microfloculación sobre filtro" o
filtración directa". Los filtros de estas instalaciones, generalmente son
abiertos, con velocidades de filtración entre 6 y 15 m/h, empleándose
los filtros cerrados a presión en instalaciones pequeñas (menores de 50
m3 /h). El material filtrante suele ser arena. Se emplea también otros
materiales como carbón activado en grano, pero en este caso se
aprovecha la capacidad de adsorción del carbón activado para retener
sustancias en impurezas orgánicas por el fenómeno de adsorción, y que
se tratará en el tema de "Tratamiento de olores y sabores".
Un material que se ha desarrollado recientemente y que puede sustituir
o trabajar conjuntamente con la arena es la arcilla expandida, o como
también lo expresa un fabricante Filtralite, una especie de agregado de
partículas de cerámica muy ligeras, como pequeñas piezas duras de
esponjas con poros internos de varios tamaños, lo que hace a este
material muy apto como medio filtrante en los procesos de tratamiento
del agua. En contraste con la arena clásica y gracias a la estructura
porosa este volumen de poros presenta una gran superficie interna, es
un medio de filtración más abierto que esta, ya que añade a la
capacidad convencional de retención de los granos de arena la

2. capacidad de retener partículas en el interior de los poros,
proporcionando así un mayor espacio para almacenar partículas. A su
vez y como los poros son más pequeños que los espacios entre los
granos de arena, estos granos de arcilla expandida pueden atrapar
partículas más pequeñas que podrían llegar a escapar a través de los
intersticios entre los granos de arena.
Se muestran una imágen de este material fabricado por FILTRALITE
El espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0,7 y 1 m. y la
talla efectiva entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre
1,5 y 1,7. En el caso de lechos bicapa, el espesor de arena es 1/3 del
total y sobre ella una capa de antracita de 2/3 del espesor total y talla
efectiva entre 1,2 y 2,5mm.
Realmente, el espesor y granulometría depende de la velocidad
de filtración, del tamaño y naturaleza de las partículas que van a ser
retenidas y de la pérdida de carga disponible.
Los materiales filtrantes que presentan cierta friabilidad no
deberían emplearse ya que los lechos filtrantes y en concreto la arena,
se ven sometida a fricción durante la fase de lavado a contracorriente
produciendose unos finos que originan diversos inconvenientes, tales
como:
- Modificación de la curva granulométrica.
- Se colmatan los filtros en superficie, impidiendo o al menos
dificultando la filtración en profundidad.
-Pueden pasar al agua filtrada aumentando la turbidez.
Las materias en suspensión retenidas por los medios filtrantes en
la superficie de los granos lo son por diversas fuerzas (Ives):

3. - Fuerzas eléctricas, ligadas a la desestabilización de los coloides
al anularse las fuerzas de repulsión electrostática entre
partículas.
- Fuerzas de cohesión de London-Van Der Waals.
- Fuerzas de adhesión pericinética, debidas al movimiento
browniano.
- Fuerzas de adhesión ortocinética, debidas al gradiente de
velocidad.
De todo ello se desprende la importancia del tipo de superficie de
los materiales filtrantes en la eficacia de la retención de las materias en
suspensión.
Ives ha establecido un índice de filtrabilidad (F) (sin dimensiones)
para comparar la eficacia de la filtración para diferentes materiales de
la misma granulometría en función del estado de su superficie:
Δ h C
F = ―――― x ――――
V x t C0
donde Δ h: Perdida de carga, en m de columna de agua , en el
material filtrante al cabo del tiempo t.
V : Velocidad de filtración en m/h.
t : Duración de la filtración en horas.
C : Parámetro de calidad del agua filtrada.
C0 : Parámetro de calidad del agua a filtrar.
La relación C / C0 puede expresarse en diferentes unidades tales como
turbiedad, materia orgánica, en aluminio, etc.
La retención de partículas será por tanto mejor cuando el índice F sea
más bajo. Por otra parte, a igual granulometría, el crecimiento de la
perdida de carga (Δ h) es menor con los granos angulosos que con los
granos redondeados, ya que en los primeros se acoplan con más

4. dificultad los unos en los otros y dejan por tanto secciones de paso
mayores.
Otra consideración a tener en cuenta en el caso de los medios filtrantes,
especialmente en la arena, es la perdida al ácido, ya que una perdida
al ácido mayor del 2 % no debe aceptarse cuando el agua bruta
contenga CO2 agresivo.
GRANULOMETRIA DE UNA MUESTRA DE ARENA
La granulometría se representa mediante una curva que representa los
porcentajes en peso de los granos de arena que pasan a través de las
mallas de una serie de tamices normalizados.
Se pesa alrededor de 1 Kg. de arena seca y se va tamizando a través de
tamices, ordenados de mayor a menor luz de malla, se pesa la arena retenida
por cada tamiz y se anota como “peso retenido”. Con estos datos construimos
una tabla donde anotamos en distinta columnas los pesos retenidos, los
pesos acumulados, el % retenido y finalmente el % que pasa por el tamiz
correspondiente (complementario a 100 de la columna anterior).
Se traza la curva: En ordenadas la luz de malla y en abcisas el porcentaje que
pasa por cada tamiz.
Anotamos los valores correspondientes al tamaño de malla por el cual pasa el
10 % de la arena y el tamaño de malla por el que pasa el 60%.
La talla efectiva es el paso o tamaño de malla que corresponde al 10 %.
El coeficiente de uniformidad es la relación: talla 60 % / talla 10 %.
Se considera que una buena arena para la filtración debe tener un coeficiente
de uniformidad inferior a 2 (más cerca de 1,5 que de 2).
La velocidad de filtración, para el caso de filtración rápida, suele
ser del orden de 5 a l5 m/h (m3/m2/h).
Uno de los parámetros más indicativos del comportamiento del
filtro es la turbidez del agua filtrada. Al comenzar el período de filtración,
partiendo de un lecho filtrante limpio, hay un período inicial de tiempo,
relativamente corto, conocido como "período de maduración" en el cual
la turbidez del agua filtrada va disminuyendo hasta alcanzar un punto a
partir del cual la turbidez se mantiene casi constante un período largo
de tiempo, que dependerá de la altura de capa del lecho.

5. Continuando la filtración, se llegará a un punto a partir del cual la
turbidez inicia un incremento, conociéndose este punto como el
comienzo del "período de perforación" del filtro.
La pérdida de carga, que en el caso de un filtro, en definitiva nos
indica el grado de dificultad que encuentra el agua a su paso a través
de la arena, nos sirve para hacer un seguimiento del estado
de atascamiento del lecho de arena con el transcurso de tiempo de
filtración. Al construir los filtros, se fija la pérdida de carga máxima a la
que podrá llegarse, y deberá ser tal que el tiempo que tarda en
alcanzarse, sea igual o ligeramente inferior al tiempo, al cabo del cual
se alcanzará la perforación del filtro, de esta forma, se aprovecha el
atascamiento de la casi totalidad de la altura del lecho de arena
previsto.
Para conseguir una tasa o velocidad de filtración constante, se
pueden utilizar filtros que operan a nivel constante, con regulación
aguas arriba y abajo mediante flotadores, válvulas de mariposa o
sifones, o bien, emplear filtros de nivel variable, en los cuales, este nivel
va aumentando a medida que aumenta la pérdida de carga como
consecuencia del atascamiento o colmatación del lecho filtrante.
Llegado el momento de la máxima pérdida de carga de alguno de los
filtros que forman la instalación, se interrumpe la entrada de agua a
filtrar y se procede al lavado a contracorriente, que consta de tres fases:
1) Esponjamiento del lecho con aire a baja presión (entre 30 y 60
segundos). 2) Lavado con aire yagua (entre 3 y 6 minutos) y 3) Aclarado
con agua (entre 12 y 7 minutos).
En la figura siguiente se representa el esquema de un filtro (de nivel
constante) con indicación de los flujos de filtración y de lavado a
contracorriente así como los niveles de filtración y de lavado.

6. En el lavado a contracorriente, el lecho de arena se expande y el aire
provoca que los granos de arena al rozar uno contra otro se desprendan
de las partículas retenidas, que después serán arrastradas por el agua
de lavado hacia los vertederos o canales de recogida del agua de
lavado. El proceso de lavado finaliza cuando esta agua resultante del
lavado no muestra apenas partículas en suspensión.
FILTRO DE NIVEL VARIABLE Y CAUDAL DE FILTRACION CONSTANTE
(El lavado a contracorriente se realiza aprovechando la diferencia de nivel entre el
canal de agua filtrada y el canal de recogida de agua de lavado)

7. LAVADO DE UN FILTRO (con canales de recogida de agua
de lavado)
Placa soporte de la arena, con toberas
REGULACION DE LA VELOCIDAD DE FILTRACION DE UN FILTRO DE NIVEL CONSTANTE Y CAUDAL DE FILTRACION
CONSTANTE ( Mediante válvula de regulación hidráulica en la salida de agua filtrada)
Respecto a la evolución de la pérdida de carga y la turbiedad del
agua filtrada y su interrelación, consideremos, según se representa en
las gráficas siguientes, un filtro con una pérdida de carga máxima, por
construcción de 2,5 m. (columna de agua), tal pérdida de carga, para
un espesor dado de arena, se alcanza en el punto Pl, al cabo del tiempo
t1.
Por otra parte, consideremos la evolución de la turbiedad del agua
filtrada; al llegar al tiempo t2, el filtro ha llegado a la perforación ,
correspondiéndole una turbiedad dada por el punto M2 , dado que t2 es
menor que t1, el filtro continúa filtrando , ya que no se ha alcanzado aún
la perdida de carga máxima . Esto nos indicará que el filtro está mal
concebido y habrá que aumentar el espesor de arena , de forma que la
perdida de carga máxima se alcance antes , por ejemplo al cabo del
tiempo t¢ 1 , donde todavía no se ha llegado a la perforación del filtro y
la turbiedad , punto M1, continúa aún en valores aceptables.

8. En el control de la eficacia de un filtro se suele acudir a la medida de la
turbiedad, pero la sola medida de esta no es muy significativa de las
diferencias de calidad del filtrado. Se ha llegado a proponer lo que se
conoce como la determinación del factor de atascamiento, en definitiva
es un porcentaje del estado de atascamiento del medio filtrante. El agua
filtrada a estudiar se somete a una microfiltración bajo presión constante
(2,1 bares) a través de una membrana de 0,45 µm., actuando asi:
Si llamamos Ti al tiempo necesario para recoger 500 ml. de agua (este
tiempo Ti debe ser superior a 15 segundos) y seguimos filtrando por la
membrana durante 15 minutos y a continuación recogemos otros 500
ml. y sea Tf el tiempo invertido en recoger esta segunda muestra, el
factor de atascamieto (FA) viene dado por la expresión :
Ti

9. FA % = 100 ( 1 ― ――― )
Si este porcentaje es superior al 80 % en 15 minutos, se realizará de
nuevo el mismo ensayo con tiempos menores a los 15 minutos
Tf
En el caso de ensayos comparativos, los rendimientos de un filtro
son mejor comprobables midiendo el factor de atascamiento, cuando
que las medidas de perdida de carga y turbiedad por si solas son poco
significativos.
Funcionamiento de una instalación de filtración
El agua clarificada procedente de los decantadores pasa a los filtros,
donde las partículas (flóculos) que no han sido retenidas por los
decantadores son retenidas al pasar por el medio filtrante. Los filtros
suelen tener las siguientes caracteristicas:
Un lecho filtrante único de arena de diámetro uniforme
Tasa de filtración constante y nivel del agua a filtrar constante o variable
(en función de la perdida de carga).
El lavado se realiza mediante la inyección de agua y
aire.
El agua a filtrar que es repartida por igual a cada uno de los filtros que
componen la instalación, así como la velocidad de filtración constante
en cada filtro es obtenida por medio de dispositivos tales como
flotadores, válvulas electroneumáticas, cajas de parcialización, y
sifones.
Dispositivo de regulación, caja de parcialización y sifón

10. Válvula electroneumática y rack electrónico ubicados aguas abajo del
filtro.
Caja parcializadora-sifón concéntrico, ubicados dentro de la caja del
filtro y aguas abajo del filtro.
Dispositivo sifón-caja parcializadora: La caja de parcialización es un
sistema de detección y mando que regula el caudal de aire introducido
en la parte superior del sifón. Esta caja está formada por el flotador y
el sistema detector, los que se ubican en la superficie de agua dentro
de la caja del filtro.
Sifón: Constituido por dos tubos concéntricos, donde el agua circula
desde el tubo interior hacia el exterior, y se encuentra en la tubería de
salida de agua filtrada.
Descripción del proceso de regulación
El conjunto sifón-caja parcializadora está unido por medio de un tubo
de admisión de aire ubicado en la parte superior del sifón. Es por esta
admisión de
aire y cambio de presión que la acción del sifón es parcial o nula, con
lo cual la variación de caudal es más o menos grande.
Esta entrada de aire está comandada automáticamente por la caja de
parcialización, en la cual el flotador detecta el nivel de agua que se debe
mantener constante sobre el filtro y deja entrar una cantidad de aire en
función de ese nivel.
Si el nivel de agua sobre el filtro se eleva, bien sea porque el filtro está
sucio o porque el caudal de la planta se incrementa, la caja de
parcialización tiende a cerrarse, entra solo una pequeña cantidad de
aire dentro del sifón y se produce un incremento en el caudal de agua
filtrada. Si el nivel de agua disminuye, entonces el proceso es a la
inversa. El sifón tiene un vacuómetro colocado en la parte superior que
indica la pérdida de carga del filtro.
Dispositivo de regulación válvula mariposa electroneumática y
rack Electrónico
El regulador válvula electroneumática y el rack de control están
destinados a mantener el nivel de agua constante sobre la arena; sin
regulación, este nivel es

11. muy variable en función del grado de colmatación del filtro y de las
modificaciones del caudal. La función de la regulación es crear, con la
ayuda de una válvula de mariposa, una pérdida de carga auxiliar que es
grande cuando el filtro está limpio, y por tanto el caudal de entrada es
normal. Esta pérdida de carga disminuye a medida que el filtro se
ensucia o el caudal aumenta bruscamente.
La pérdida de carga global del sistema filtro-válvula es mantenida
constante por la regulación.