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filtros de discos vs filtros de lecho profundo, ventajas

¿Qué diferencia hay entre “autolimpiante” y “automático”?

Autolimpiante y automático significan lo mismo. Ambos términos se refieren al hecho de que el filtro en cuestión se retrolava automáticamente al llegar a cierta caída de presión o al transcurrir un tiempo de operación determinado.

 

Diferencias entre filtros de discos y filtros de lecho profundo

La primera etapa de los trenes de tratamiento de agua destinada al consumo humano y a los procesos industriales suele ser un proceso de filtración. Con este se busca separar los sólidos suspendidos de mayor tamaño que contiene el agua que se va a purificar.

En la historia técnica del ser humano, los filtros que más se han utilizado para este fin, son los de lecho profundo. Consisten en medios granulares que se aplican en un tanque. El agua circula en sentido descendente, ya sea por la fuerza de gravedad (en tanques abiertos) o a presión (en tanques cerrados). Los medios granulares que se utilizan con mayor frecuencia son: arena, antracita, garnet (granate) y zeolita. Estos filtros se denominan de “lecho profundo”, porque la cama del medio granular requiere una profundidad mayor a 20 cm. 

Ya que los medios granulares filtrantes son relativamente económicos, como medida de protección, las camas se colocan con una altura de entre 50 y 60 cm.

Algunos filtros de lecho profundo se componen de dos o tres medios granulares. Los primeros se denominan “duales” y los segundos “multimedia”.

Se ha innovado en diversos procesos de tratamiento de agua, pero no ha sido así en el de filtración. El filtro de lecho profundo sigue siendo, por mucho, la tecnología más conocida y utilizada.

En los años 60s del siglo pasado, partiendo de una tecnología desarrollada para filtrar el fluido hidráulico de algunos aviones Boeing, el sector agrícola desarrolló los llamados filtros de discos, que han sido muy exitosos para tratar el agua que se distribuye a través de sistemas de irrigación y boquillas. Su éxito ha radicado, principalmente, en el enorme ahorro de agua que requieren para retrolavarse.

Carbotecnia, como empresa dedicada a la potabilización y a la producción de agua para procesos, detectó que los filtros de discos autolimpiantes, particularmente de la marca Azud, tienen la vocación para constituir la más importante innovación en filtración para retener partículas suspendidas en agua, de entre 5 y 400 micras.

Los filtros de lecho profundo tienen ventajas técnicas y económicas que los seguirán haciendo la mejor alternativa para unos casos, pero los filtros de discos tienen ventajas técnicas competitivas que los llevarán a ser la mejor opción para otros casos.

Carbotecnia encontró en Azud, fabricante español de filtros de discos autolimpiantes, coincidencias en valores y en visión empresarial, por lo que en 2021 inició el proyecto de trabajar con ellos para promover su marca en México y Latinoamérica.

Descripción básica de los filtros de discos autolimpiantes

Por la dinámica con la que circula el agua que se filtra, los filtros de discos se parecen a los de cartucho. El elemento filtrante tiene la forma de un tubo hueco. La pared de dicho tubo tiene un espesor de alrededor de 1.5 cm. El agua que se filtra circula por los espacios vacíos de dicha pared, y va de la parte externa a la interna.

El elemento filtrante está formado por discos que tienen ranuras en sus caras. Los sólidos suspendidos quedan retenidos en el trayecto que forman las ranuras.

Durante la etapa de filtración, las ranuras se van ocluyendo con los sólidos retenidos, hasta que la caída de presión alcanza un nivel en el que es conveniente retrolavar. Para retrolavar, el agua se inyecta en sentido opuesto al de filtración, y los discos se separan entre sí. Al separarse, permiten que el agua arrastre los sólidos que quedaron atrapados.

               Etapa de filtración                                                                              Etapa de retrolavado

               Cada disco está en contacto con                                             Los discos se separan entre sí para permitir 

                   el de arriba y el de abajo .                                                          que el agua arrastre los sólidos que   

                                                                                                                            quedaron atrapados en las ranuras.

Azud ofrece discos para distintos grados de filtración o abertura, que van de 5 a 400 micras.    

En un filtro de discos, cada elemento filtrante es igual que los demás. El filtro se compone del número de elementos filtrantes necesarios para que el equipo en su totalidad tenga la capacidad requerida por el usuario.

Filtros de discos de dos, cuatro y múltiples elementos filtrantes. 

En un filtro de discos, cada elemento filtrante es igual que los demás. El filtro se compone del número de elementos filtrantes necesarios para que el equipo en su totalidad tenga la capacidad requerida por el usuario.

Contraste entre estos dos filtros de discos y filtros de lecho profundo

1. Aunque ambos son de profundidad, la de los filtros de lecho profundo es sustancialmente mayor, por lo que estos pueden retener una mayor cantidad de sólidos antes de requerir retrolavarse.

Los filtros se pueden clasificar en dos grupos:  de superficie o de profundidad. En los de superficie, los sólidos retenidos no penetran por los espacios vacíos que forman parte del medio filtrante. Suelen ser fácilmente lavables. Tienen la desventaja de que se colmatan (se tapan) cuando han retenido una cantidad de sólidos relativamente pequeña. 

En los de profundidad, los sólidos entran por los espacios vacíos, que pueden ser ranuras, “poros” o espacios interparticulares. Se eligen con el grado de filtración (abertura) que retenga la mayoría de las partículas mayores a cierto tamaño. Su ventaja respecto a los de superficie es que pueden retener una mayor cantidad de sólidos antes de colmatarse. Su desventaja es que, si el medio filtrante no puede expandirse, una vez que se colmatan, deben desecharse.

Como se ha mencionado en líneas anteriores, la profundidad de un filtro de discos no es mayor a 2 cm, mientras que, en los de lecho profundo, la filtración se lleva a cabo en los primero 20 cm de cama. Comparando filtros con espacios vacíos de tamaño similar, uno de lecho profundo tendrá mayor capacidad de retención de sólidos antes de colmatarse y requerir retrolavado.

2. El grado de filtración de un filtro de discos está más controlado y es más previsible.

El medio filtrante de un lecho profundo está formado por gránulos que, aunque idealmente deben tender a ser redondos, no dejan de ser irregulares en sus formas y en su superficie. Por otro lado, los gránulos también difieren en tamaño, aunque este queda dentro de cierto rango. Como consecuencia, los espacios vacíos de un filtro de lecho profundo son complejos.

En un filtro de discos, las ranuras de cada disco son iguales, y se puede conocer mejor el grado de filtración que se puede lograr. 

3. Si se requieren dos etapas de filtración, los filtros de lecho profundo pueden ser duales o multimedia; los de discos, deben instalarse por separado.

Como se mencionó anteriormente, en los filtros de lecho profundo, se pueden instalar camas con dos o tres medios. En la parte superior se coloca el medio con gránulos mayores, con el objeto de retener en él las partículas mayores. Esta es una manera de tener dos o tres etapas de filtración en un mismo equipo. La cama inferior de un filtro dual o uno multimedia es de la que depende la calidad del agua filtrada. Las misión de las capas superiores, no es alcanzar una calidad determinada del agua filtrada, sino disminuir la frecuencia con la que se colmata la cama inferior.

En el caso de los filtros de discos, si se requieren dos o tres etapas de filtración, es necesario instalar cada una de ellas en equipos colocados en serie.

4. Mientras mayor es la velocidad del flujo de retrolavado, menor es la cantidad de agua requerida para limpiar un medio filtrante. Ya que un filtro de discos se retrolava a
velocidades muy altas, requiere mucho menos agua que un filtro de lecho profundo para este fin.

Para retrolavar adecuadamente un filtro de lecho profundo, es indispensable lograr que la cama se expanda durante dicha operación.

Uno de los más grandes errores que cometen técnicos en tratamiento de agua y usuarios de filtros de lecho profundo, es elegir medios granulares con baja densidad de partícula, con el objeto de requerir flujos de retrolavado de menor velocidad que logren expandir la cama. Estiman que de esta manera se requerirá menor cantidad de agua. Sin embargo, ocurre lo contrario. Mientras menor es la velocidad del flujo de retrolavado, los sólidos retenidos en la cama serán arrastrados con mayor lentitud; por lo tanto, el retrolavado requerirá más tiempo y en casi todos los casos, la cantidad de agua utilizada para retrolavar, será mayor.

Por otro lado, la velocidad del agua de retrolavado de un filtro de lecho profundo, debe ser la que logra expandir los gránulos del medio. Si se utiliza una velocidad mucho mayor, todo el medio se desplaza como un tapón a la parte superior del filtro. La cama no se expande, los gránulos no se separan entre sí, y por lo tanto, no se eliminan eficazmente los sólidos retenidos.

También puede ocurrir que los gránulos del medio filtrante salgan arrastrados con el agua de retrolavado. Un filtro de discos, en cambio, puede retrolavarse con agua a mucha mayor velocidad. De esta manera, los discos se limpian en muy corto tiempo, lo que lleva a ahorros enormes en el volumen de agua requerida.

Azud, además de fabricar filtros de discos convencionales, desarrolló filtros que retrolavan con asistencia de aire comprimido y logran un ahorro de agua aún mayor. En un caso típico, un filtro de discos convencional puede ahorrar alrededor del 95% del agua de retrolavado respecto a la que requiere uno de lecho profundo. Un filtro de discos asistido por aire, ahorra 80% del agua respecto a la que requiere un filtro de discos convencional. Por lo tanto, el ahorro de agua de retrolavado de un filtro de discos asistido por aire puede ser del 99% respecto a la que requiere uno de lecho profundo.

5. Los filtros de discos se arman modularmente, lo que permite adaptarlos al espacio disponible.

Los filtros de discos se componen del número de elementos filtrantes necesarios para cumplir con la capacidad de filtración requerida.

Pueden armarse modularmente y adaptarse a la forma y al espacio disponible para instalarlos. Es posible colocar todos los elementos filtrantes a nivel de piso o en bastidores, formando distintos niveles.

6. Ya que los filtros de discos suelen instalarse a nivel de piso y no son altos, normalmente no es necesario trabajar en altura para inspeccionarlos y darles mantenimiento

Los filtros de lecho profundo cuyos tanques son mayores a 65” (1.65 m) suele hacer necesario subir una escalera para programar la válvula de instalación superior y para darles mantenimiento.

7. Los filtros de discos requieren mucho menor área de piso y mucho menor espacio

Área de filtración:

Gracias a que las ranuras de los discos están diseñadas con formas y tamaños específicos, y a que los discos están compactados entre sí con una fuerza mecánica conocida y controlada, los filtros de discos operan con un “flux” mayor que los de lecho profundo. El flux es el flujo, dividido entre al área de sección transversal del filtro (respecto al sentido del flujo). Es decir, es la velocidad del líquido “en cama vacía” del medio filtrante. Como consecuencia, el área de sección transversal que requiere un filtro de discos es menor que la que requiere uno de lecho profundo.

El área de un elemento filtrante de la marca Azud es de 1620 cm 2 (1.74 ft 2 ).

Por poner un ejemplo de un caso intermedio: si se requiere tratar agua de calidad media y se busca retener partículas mayores a 50 micras, el máximo caudal de operación recomendado por Azud es de 53 gpm (ver Anexo A).

Este caudal corresponde a una velocidad de (53 gpm / 1.74 ft 2 =) 30 gpm/ft 2 .

Si se requiere filtrar agua con las mismas características (calidad media) y se busca retener partículas de dimensiones similares (50 micras) mediante un filtro de lecho profundo, este se opera con una velocidad máxima de 6 gpm/ft 2 .

Para el caso que estamos ejemplificando, el filtro de discos requiere 80% menos área de filtración que el de lecho profundo.

Profundidad de filtración:

Llamemos “profundidad de filtración” a la suma de:

– La profundidad del medio filtrante
– La profundidad del especio necesario previo al medio filtrante.

La profundidad de los discos Azud es de 1.5 cm, y la distancia entre la pared exterior de los discos y la pared interior de la carcaza que los cubre es de 2.2 cm. Es, decir, la profundidad de filtración es de (1.5 + 2.2 =) 3.7 cm.

En el caso de los filtros de lecho profundo, la profundidad típica de la cama es de 50 cm. Por otro lado, se requiere una altura para expansión de la cama del 50% de la altura de la misma. Esto significa que la profundidad de filtración de un filtro de lecho profundo es de al menos 75 cm.

Por lo tanto, la profundidad de filtración de un filtro de discos es 95% menor que la de un filtro de lecho profundo.

Espacio requerido:

Combinando el hecho de que en un caso típico, el área de filtración de un filtro de discos es 80% menor que el área de un filtro de lecho profundo, y que la profundidad de filtración del filtro de discos es 95% menor que la del filtro de lecho profundo, el espacio requerido por un filtro de discos es (0.2 x 0.05 x 100 =) 1% respecto al espacio requerido por un filtro de lecho profundo.

Aunque este valor no considera otros espacios que ocupa cada filtro (tuberías, válvulas, soportes, etc.), apunta a un hecho real: los filtros de discos ocupan mucho menos espacio que los filtros de lecho profundo.

8. Los filtros de discos formados por dos o más elementos filtrantes se retrolavan de manera secuencial. Por esta razón, de manera natural, un filtro de discos con tres o más elementos filtrantes puede seguir entregando agua filtrada a los pasos siguientes del proceso mientras se retrolava.

Cuando un filtro de discos está formado por tres o más elementos filtrantes, el controlador del equipo manda retrolavar los elementos que lo conforman de manera secuencial. El agua utilizada para retrolavar los elementos a los que les toca retrolavarse, es agua filtrada que proviene de los elementos que están en operación.

Una ventaja del lavado secuencial de filtros formados por tres o más elementos, es que la cantidad de agua filtrada que el equipo entrega al proceso durante el retrolavado disminuye, pero no se interrumpe totalmente. Si el proceso posterior al filtro de discos requiere que el caudal se mantenga, al filtro se le agregan los elementos necesarios para este fin.

Para el caso de un filtro de lecho profundo, cuando se requiere que este no deje de entregar agua a las siguientes etapas del proceso, es necesario colocar un tanque de balance (que almacene el agua filtrada requerida para que el proceso continúe mientras el filtro se retrolava) o instalar un filtro adicional, y un controlador que ponga en operación el filtro en espera, mientras el otro se retrolava. Esto significa que en el caso de los filtros de lecho profundo, si los procesos subsecuentes no pueden dejar de recibir agua, es necesario invertir mucho más que en el caso de los filtros de discos.

Nota: tanto en el caso de filtros de discos como en el de filtros de lecho profundo, el suministro de agua para retrolavar puede ser una fuente externa.

9. En caso de que el ensuciamiento de un medio filtrante no pueda resolverse mediante los retrolavados, es mucho más sencillo limpiar discos que medio granulares

En muchos casos, los discos requieren limpiarse mediante chorros de agua, como los que aplica una lavadora tipo Kärcher. En ocasiones, es necesario o conveniente agregar un surfactante a esta agua para que logre su función con mayor eficacia.

La carcaza de cada elemento que forma un filtro de discos, se retira y se reinstala de manera sencilla y sin necesidad de herramientas. Los discos se extraen y se cambian de manera sencilla. Una sola persona puede hacerlo.

La limpieza de un medio granular es una tarea bastante más compleja. De hecho, es común que, en caso de ensuciamiento, resulte menos costoso cambiarlos que limpiarlos.

10. Los filtros de discos requieren mayor cantidad de partes electromecánicas y electrónicas

Desarmar y armar un filtro de discos no es una tarea particularmente pesada. Con la capacitación adecuada, una persona puede aprender a detectar fallas y a repararlas.

En cambio, para abrir un filtro de lecho profundo, extraer el medio filtrante o instalarlo de nuevo, suele requerirse de un equipo de mantenimiento de varias personas.

11. Los filtros de discos requieren mayor cantidad de partes electromecánicas y electrónicas

Ya que los filtros de discos autolimpiantes requieren un número mayor de partes electromecánicas o electrónicas, la posibilidad de falla de cualquiera de ellas hace necesario que se cuente con un inventario suficiente para llevar a cabo el mantenimiento correctivo que pueda requerirse.

Esto no significa que los filtros de lecho profundo no requieran de un inventario de partes para mantenimiento correctivo.

12. Los filtros de discos Azud pueden operarse con flujo cruzado

Los elementos de los filtros de discos Azud poseen una hélice fija en su base. Esta provoca que el agua que ingresa al elemento lo haga con un movimiento circular. Si los sólidos que se van a retener son más densos que el agua, la fuerza centrífuga los hace desplazarse hacia la coraza. A la coraza se le puede hacer un barreno en la parte superior, que ya tiene prevista una conexión hembra para tubería. Por ahí puede dejarse salir cierto porcentaje del flujo a tratar. Este va a ser un “flujo cruzado” concentrado en sólidos. Con esta forma de operar, se puede disminuir sustancialmente la frecuencia con la que el filtro se colmate.

Los filtros de lecho profundo no pueden operarse con flujo cruzado.

13. Los filtros de discos Azud asistidos por aire pueden programarse para que envíen pulsos de aire antes de retrolavar

En casos en que el retrolavado asistido por aire sea insuficiente para despegar sólidos que se van quedando adheridos a la pared de los discos, enviar pulsos de aire antes de retrolavar puede mejorar la efectividad de la limpieza.

14. Los filtros de discos pueden retrolavarse con agua que contenga un surfactante

Tanto los filtros de lecho profundo como los de discos, pueden retrolavarse con una fuente de agua externa.

Ya que los discos son de un material plástico (polietileno o polipropileno), dicha fuente puede contener un surfactante que facilite la limpieza de los mismos en caso necesario.

Retrolavar un filtro de lecho profundo con agua que contenga surfactante no se acostumbra, porque se requeriría enjuagar con mucha agua para retirar los restos de surfactante del medio granular.

15. Los medios granulares filtrantes que tratan agua que no se encuentra clorada o que no contiene algún agente oxidante para desinfectar, fomentan el desarrollo de bacterias que pueden representar un problema. No obstante, en algunos casos, la acción de estas bacterias puede ser benéfico porque degradan la materia orgánica.

Todo medio granular posee cierta capacidad de adsorción de moléculas, tanto orgánicas como inorgánicas. Además, estos medios atrapan partículas que también pueden ser orgánicas o inorgánicas. Si el agua que filtran no contiene un agente desinfectante (como lo es el cloro libre), muy pronto se desarrollan bacterias que se anclan en la superficie del medio granular y se alimenta de las sustancias orgánicas. Estas bacterias convierten los compuestos orgánicos en metano y en más bacterias. El exceso de bacterias se elimina durante el retrolavado y con frecuencia se alcanza un régimen permanente, cuyo resultado es un agua filtrada con menor concentración de contaminantes orgánicos.

La biomasa también puede mejorar la calidad de la filtración del agua, ya que disminuye el tamaño de los espacios interparticulares por los que circula el agua. Esto puede tener como consecuencia una mayor caída de presión y una mejor calidad en términos de turbiedad, color o sólidos suspendidos totales.

La eficacia de operar con actividad bacteriana, depende de las condiciones fisicoquímicas y del tipo de contaminantes contenidos en el agua a tratar.

Cuando el desarrollo de biomasa en los filtros de lecho profundo representa un problema, es necesario desinfectarlos.

16. Los filtros de discos tienen un mayor consumo de energía

Ya que los filtros de discos están diseñados para operar con una a mayor velocidad de filtración (o flux), ocasionan una mayor caída de presión en el flujo, y consumen mayor energía.

17. El precio de mercado de los filtros de discos autolimpiantes es menor que el de los filtros de lecho profundo automáticos

Para una misma capacidad de filtración, en la mayoría de los casos, el precio de mercado de un filtro de discos autolimpiante es entre 15 y 30% inferior que el de un filtro de lecho profundo automático.

18. Es menos costoso cambiar discos que cambiar medios granulares: desde la arena sílica, que es la más económica.

En mayo de 2022, el precio de lista de Carbotecnia para de los diversos medios filtrantes era:
Discos Azud MG: USD 78/elemento de 1620 cm 2 (1.74 ft 2 )
Discos Azud WS: USD 152/elemento de 1620 cm 2 (1.74 ft 2 )
Arena sílica 14 x 35: USD 12.71/ft 3
Zeolita marca Nextsand: USD 33.6/ft 3

Si consideramos que la cama del medio granular filtrante (arena o zeolita) es de 50 cm de altura (1.64 ft), cada ft 2 de área de sección transversal requiere 1.64 ft 3 de medio granular filtrante.

Consideraremos las siguientes velocidades de filtración:

Medio filtrante
Velocidad de filtración (gpm/ft 2 )
Discos MG 53
53
Discos WS 53
53
Arena sílica nacional 14 x 35 4.25
4.25
Zeolita (Nextsand)
10.0

Con base en los datos anteriores, el costo de cada medio para filtrar 1 gpm de agua es:

Medio filtrante
Cantidad del medio filtrante
Área de filtración del medio filtrante (ft2)
Velocidad del flujo a filtrar (gpm/ft2)
Flujo a filtrar (gpm)
Costo del medio filtrante para el usuario (USD)
Costo del medio filtrante por cada gpm a filtrar
Discos Azud MG
1 elemento
1.74
53
92.2
78.00
845
Discos Azud WS
1 elemento
1.74
53
92.2
152.00
1.648
Arena sílica 16×35
1.64 ft3
1.00
4.25
4.25
20.84
4.900
Zeolita Nextsand
1.64 ft3
1.00
10.0
10.0
55.10
5.510

 

Como muestra la tabla, los discos son medios filtrantes más económicos que la arena sílica y que la zeolita Nextsand.

Vale la pena resaltar que la tabla no considera el costo de mano de obra requerido para cambiar medios granulares, que es sustancialmente mayor que el requerido para cambiar discos.

19. El tiempo de vida útil de los discos es mayor que el de los medios granulares (arena, antracita, zeolita, garnet)

Aún cuando la velocidad del flujo con el que operan los filtros de discos es sustancialmente mayor que aquella con la que operan los filtros de lecho profundo, tienen una alta resistencia a la erosión, y su tiempo de vida útil es mayor a 15 años.

La vida útil de los medios granulares es de entre 2 y 10 años. Generalmente, este límite se debe al ensuciamiento difícil de eliminar, aunque también ocurre cuando el medio se erosiona como resultado de la operación y de los retrolavados.

La combinación del menor costo, la mayor facilidad para cambiarlos y el mayor tiempo de vida de los discos, respecto a los medios granulares, los hace mucho más competitivos desde el punto de vista financiero.

20. Los filtros de discos no están diseñados para tratar flujos pequeños.

Un filtro de discos de un elemento, operado con discos de 50 micras que trate agua de calidad media, puede filtrar 53 gpm (ver Anexo A).

Si consideramos que el tanque de menor diámetro para operar como filtro de lecho profundo es de 8”, y este trata agua con una velocidad de 6 gpm/ft 2 , el flujo de operación será de 2.1 gpm.

Un filtro de lecho profundo requerido para tratar 53 gpm a una velocidad de 6 gpm/ft 2 , tendrá un diámetro de 40”

Anexo A

Guía para seleccionar el máximo caudal de operación de filtros de discos Azud

guía de filtros de disco

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