Operación de filtración de aguas

1. FILTRACION

2. Filtración natural y controlada
Filtración natural
– Se da en general en las aguas subterraneas, así como en
algunos cursos de aguas superficiales, ayuda en la
remoción de solidos mayormente.
Filtración controlada
– Se inició en 1804
– Se utilizó medios granulares (el presente estudio)
– Tratamiento comun de aguas de consumo, industriales
y de recreación

3. Filtros granulares para agua
Los primeros filtros: arena de río con drenes
inferiores (0.93 m3/m2/día a 9.3 m3/m2/día) o
(entre1 y 10 millones de galones por acre por día)
– Similar tamaño de grano en todo el lecho
– Pequeño tamaño efectivo
– Amplio coef. De no uniformidad
– Remoción efectiva en los primeros 5 cm
Luego vinieron filtros rápidos

4. Filtros granulares para agua

5. Filtros granulares para agua

6. Filtros granulares para agua
Filtros rápidos
– Dimensiones pequeñas
– Retrolavado
– Alta velocidad de flujo

7. Materiales filtrantes naturales
La mayoria de los medios filtrantes son
gravas y arenas naturales
– Tamaño
» Tridimensional y define el volumen de los granos
– Forma
» Medida del área superficial en relación a su
diámetro

8. Tamaño del grano y distribución
de tamaños
Están definidos por la curva
granulométrica.

9. Forma del grano y variación de
la misma
El área superficial es importante, pero aun
no hay formas de medirla adecuadamente
Mediciones de forma:
– Esfericidad ψ 6/d
– Factor de forma S= 6/ψ
0
0
v
v
d
d s
s
==ψ

10. Forma del grano y variación de
la misma
Descripción Esfericidad ψ Factor de forma
S
Porosidad típica f
a) Esféricos 1.00 6.0 0.38
b) Redondeados 0.98 6.1 0.38
c) Desgastados 0.94 6.4 0.39
d) Agudos 0.81 7.4 0.40
e) Angulares 0.78 7.7 0.43
f) Triturados 0.70 8.5 0.48

11. Remoción de las impurezas
Circunstancias influyentes en la remoción
– Calidad del agua cruda y respuesta al
tratamiento inicial
– Naturaleza y composición del medio filtrante
– Velocidades de filtración
– Duración del ciclo del filtro
La mayor parte de los filtros remueven
particulas de mayor tamaño que los pasajes
entre sus granos

12. Diseño de filtros
Las dimensiones de filtros y accesorios
dependen de:
– Calidad del agua de ingreso
– Tipo de filtro
– Carga hidraulica
– Método e intensidad de limpieza
– Calidad final del agua producida

13. Diseño de filtros
Las pruebas en planta piloto, son
importantes:
– Muestran comportamiento de un agua
específica
– Muestran respuesta del filtro examinado
No es posible asignar profundidades ni
tamaños de granos (ni formas, ni
densidades), aun para aguas de
composición constante

14. Diseño de filtros
Objetivos que se deben conciliar son:
– Pérdida de carga terminal
– Normas de calidad del efluente
– Duración del ciclo del filtro
El diseño ha derivado del diseño de los
filtros lentos.

15. Profundidad del lecho
Q velocidad de filtración gpm/pie2
D tamaño de arena en cm
H carga terminal de velocidad en pies
l profundidad del lecho en pulgadas
B indice de fuga
BlhQd =/3

16. Sistemas de drenaje inferior
Funciones principales
– Recolectar y conducir el filtrado
– Distribuyen agua de lavado al lecho
Funciones secundarias
– Extraer y conducir sustancias quimicas para:
» Romper y aflojar incrustaciones en los granos
» Romper bolas de lodo en plano de separación de
granos de apoyo y granos que filtran
Dos tipos de drenaje inferior

17. Sistemas de drenaje inferior
Redes de tuberias

18. Sistemas de drenaje inferior
Algunas reglas
– 25% de la pérdida general se gasta en la
conducción de flujos a los puntos de control.
– Área orificio: área del lecho lavado (1.5 a 5x
10-3)
– Área de lateral : área de orificios en servicio ( 2
a 4):1
– Área tuberia principal : área laterales en
servicio (1.5 a 3):1
– Diametro de orificios: 6.3 a 19 mm

19. Sistemas de drenaje inferior
Algunas reglas
– Espaciamiento entre centros de orificios: 3 a 12
pulgadas
– Espaciamiento de las laterales: cercano al
espacio entre orificios

20. Grava de los filtros
l= profundidad de lecho en pulgadas
k= valor entre 10 y 14
d= diametro de arena en pulgadas (entre
3/16” y 2”)
( )l k d= +log .140

21. Pisos de los filtros
Funciones:
– Sostener el lecho
– Crear una guía
Los calculos de este tipo de pisos se basan
en el estudio de modelos
Hierro, cal y limo pueden obstruir los
ingresos. Con lavados alcalinos o acidos se
los puede desbloquear

22. Otros dispositivos
Ayudantes del lavado
Canaletas de lavado

23. Dimensiones de filtros y
conductos
Las dimensiones dependeran de los costos
de los filtros, sus paredes y sus accesorios.
Tambien del tiempo de limpieza
Tiempo para fluidificar el lecho
Tiempo de lavado
Tiempo para la reacomodación de los filtros
Tiempo para llenar de nuevo la caja del filtro hasta el
nivel de flujo
Tanques de aguas de lavado, con volumen
aproximado a 1.5 veces el agua usada

24. Dimensiones de filtros y
conductos
Velocidades referenciales de conductos
Pies por
segundo
Metros por
segundo
Conducto del afluente transportado agua crudo
Conductos del afluente transportando agua
floculada
Conductos del efluente transportando agua
filtrada
Conductos del drenaje transportando agua de
lavado de desecho
Conductos de agua de lavado transportando
agua limpia para lavado
Conexiones de filtro para desecho
3-6
2-6
3-6
4-8
8-12
12-15
0.90-1.82
0.60-1.82
0.90-1.82
1.22-2.44
2.44-3.64
3.64-4.55

25. Filtros y sus accesorios

26. Duración de los ciclos de los
filtros
Impurezas aumentan la pérdida de carga
Rapidez de pérdida de carga depende de:
– Tamaño de la arena
– Porosidad
– Velocidad de filtración
– Materia suspendida aplicada
Un ciclo termina cuando la carga excede
un valor razonable o cuando la claridad del
efluente disminuye
Verifican con
filtros
piloto

27. Inconvenientes en los filtros
Los principales inconvenientes en filtros
rápidos:
– Agrietamiento del lecho
– Formación de bolas de lodo
– Obstrucción de porciones del lecho
– Agitación de la arena
– fuga de arena por el drene

28. Inconvenientes en los filtros
Agrietamiento del lecho
– Debido a una menor resistencia del flujo a lo
largo de las paredes.
Formación de bolas de lodo
– Conglomerados de turbidez, floculos, arena y
otros. Sobre la superficie del lecho luego del
retrolavado y pueden descender a la grava
Obstrucción de porciones del lecho
– Se debe lavar la arena, o agitar el lecho con
varas o chorros de agua

29. Inconvenientes de los filtros
Fuga de arena
– Debido a una mala distribución de los granos

30. Comportamiento y carga
Eficiencia bacteriana
» E concentración en el efluente
» R concentración en el influente
» c refleja conc. de coliformes en el efluente para una
cierta conc. en el influente
» n cambio relativo de conc. efluente en relación con
variación de conc. en el influente
E cR o E c n Rn
= = +log log log

31. Comportamiento y carga

32. Comportamiento y cargas
Remoción de turbiedad, color y hierro
» De acuerdo a la literatura, 30% del color se puede
remover por filtración lenta
» Turbiedad mayor a 40 UNT obstruye filtros lentos
» Hierro, y Manganeso oxidados o como oxidantes
pueden ser removidos por medio de filtracion lenta
y rapida.
Remoción de organismos grandes
» Se remueven organismos
» No se remueven los colores u olores asociados a
ellos

33. Hidraulica de la filtración
Ley de darcy
H= perdida de carga
L= profundidad del lecho, m
V=velocidad superficial, m/s
K= coeficiente de permeabilidad, m/s
L
h
kv =

34. Pérdida de carga (Rose)
υμ
ρ vdvd
N
NN
C
g
v
d
L
e
Ch
re
rere
D
D
==
++=
=
34.0
324
1
067.1
2
4
H= pérdida de carga atraves del lecho m
Cd=coeficiente de arrastre
E= porosidad del lecho
L=profundidad del lecho, m
ρρ=Densidad del agua, kg/m3
D= diámetro caracteristico de los granos, m
v= velocidad de filtración m/s
G= aceleración de la gravedad m2/s
Nre= número de Reynolds
μ= viscosidad dinámica, Pa.s
υ= viscosidad cinemática m2/s

35. Pérdidas para lechos estratificados
A
V
d
dV
dA
β
α
β
α
=
=
=
3
2
α= Factor de forma de area superficial
β= Factor de forma de volumen
A= Area superficial real del grano
V= volumen real del grano
d= Diámetro medido del grano
Ψ = factor de esfericidad

36. Para lechos de tamaño de grano
único y uniforme
Para partículas esféricas de diametro d
Reemplazando en la ec. De la pérdida
dV
A 6
=
Vge
AvC
L
h D
4
2
178.0=

37. Ecuación para filtros rápidos y
lentos
i
i
i
i
i
i
Di
d
P
ge
v
L
h
d
p
V
A
slentosfiltroPara
d
P
C
ge
v
L
h
rápidosfiltrosPara
∑
∑
∑
=
=
=
β
α
β
α
β
α
4
2
4
2
178.0
178.0