¿Qué es la filtración de lecho profundo?

Filtros de lecho profundo

Filtración de lecho profundo.

En el tratamiento de agua la filtración es un proceso para disminuir la concentración de  sólidos suspendidos (partículas). Existen varios tipos de filtros y cada uno de ellos tiene su aplicación, que depende del tamaño de partículas que se busca retener. En la Figura 1 se pueden apreciar los diferentes tipos de filtración y el tamaño típico de partículas que retienen.

Comparación de procesos de filtración y rangos de tamaño

Figura 1. Procesos de filtración y rangos de tamaño (Weiner, 2012)

 Los filtros de medios granulares son “de profundidad”. Esto significa que realizan su función a lo largo de cierta profundidad de los mismos. Usualmente, estos filtros se diseñan con una altura de cama de entre 15 y 30 pulgadas. Las partículas retenidas pueden ser más pequeñas que los espacios de los poros de la cama.

Estos filtros pueden operar a gravedad o a presión. Los primeros son parecidos a una alberca con un lecho filtrante.

Los filtros a presión suelen ser cilíndricos verticales, de tapas formadas (toriesféricas, elípticas u otras). Se fabrican en acero al carbón o inoxidable, y en polietileno interior y fibra de vidrio exterior. El agua entra al filtro por la parte superior y fluye a través de la cama en dirección descendente. El agua se recolecta en la parte inferior de la cama (Figura 2), por medio de difusores. Después de un periodo de servicio el filtro debe retrolavarse para expulsar los sólidos retenidos, y para expandir la cama y evitar su cementación, agrietamiento y canalización subsecuente del agua que se filtra. El retrolavado consiste en hacer fluir agua en forma ascendente.

Filtro en operación

Figura 2. Filtro en operación

¿Qué son los medios granulares?

Los medios granulares más comunes que se usan en filtros de lecho profundo son: arena sílica, antracita y granate (garnet en inglés); a este último también se le conoce como arena de alta densidad. La norma B100 de la American Water Works Association (AWWA) provee los requerimientos de muestreo, evaluación, instalación, empaque y propiedades que deben cumplir estos materiales.

El tamaño de las partículas del medio granular filtrante debe ser suficientemente grande para permitir que un porcentaje importante de los sólidos suspendidos a retener penetre entre dos y cuatro pulgadas de profundidad en el lecho. Los medios ásperos y angulares forman espacios vacíos más grandes que permiten un mayor paso de partículas finas que un medio granular redondo del mismo tamaño.

El tamaño de los medios granulares se especifica en términos de tamaño efectivo de partícula y del coeficiente de uniformidad. El tamaño efectivo de partícula es la abertura de una malla que dejase pasar el 10% en peso de las partículas del medio granular. El coeficiente de uniformidad resulta de dividir la abertura de una malla que dejase pasar el 60% en peso de las partículas del medio granular, entre el tamaño efectivo de partícula. El tamaño efectivo de partícula suele reportarse en milímetros, y el coeficiente de uniformidad es adimensional.

Mientras más cercano sea el coeficiente de uniformidad a la unidad, mayor será la uniformidad en el tamaño de las partículas del medio. El tamaño ideal para un medio granular depende de las características de los sólidos suspendidos así como de los requerimientos de calidad en el efluente del filtro.

Con el objeto de aumentar el tiempo de operación de una cama filtrante formada por un medio granular, se pueden instalar dos o tres medios granulares que la conformen. En la parte superior se coloca el medio granular de partículas más grandes y de menor densidad de partícula. En la parte inferior se coloca el de partículas más pequeñas y de mayor densidad de partícula. Estos medios se eligen de manera que, al retrolavar, los dos o los tres se expandan, y al terminar de retrolavar, vuelvan a su posición original. De esta manera, el medio granular superior retiene las partículas suspendidas de mayor tamaño que acarrea el agua, y el inferior, las de menor tamaño. Esta es la razón por la que la multicama tarda más tiempo en taparse y en requerir retrolavado.

En las Tabla 1, 2 y 3 se enlistan los materiales que se usan para la filtración en lecho multicama, recomendados por diferentes autores.

 

Tabla 1. Especificaciones de materiales para filtros multicama:  AWWA. (2016). ANSI/AWWA B100-16 Granular Filter Material. American Water Works Association .

Medio granular Tamaño de partícula Coeficiente de uniformidad Gravedad específica Solubilidad en ácido
Antracita 0.6-1.6 mm <1.7 >1.4 <5%
Arena sílica 0.35-0.65 mm <1.7 >2.5 <5%
Granate 0.18-0.60 mm <2.2 >3.8 <5%

 

Tabla 2. Especificaciones de materiales para filtros multicama:  DeZuane, J. (1997). Handbook of Drinking Water Quality. John Wiley & Sons, Inc

Medio granular Tamaño de partícula Coeficiente de uniformidad Gravedad específica Solubilidad en ácido
Antracita 0.80-0.85 mm <1.5 1.5-1.65 <5%
Arena sílica 0.52-0.55 mm <1.5 2.65 <5%
Granate No reporta No reporta No reporta No reporta


Tabla 3. Especificaciones de materiales para filtros multicama:
AWWA. (1999). Water Quality &Treatment a Handbook of Community Water Supplies. McGraw-Hill.

Medio granular Tamaño de partícula Coeficiente de uniformidad Gravedad específica Solubilidad en ácido
Antracita 0.9-1.1 mm No reporta 1.45-1.73 <5%
Arena sílica 0.45-0.55 mm No reporta 2.65 <5%
Granate 0.2-0.3 mm No reporta 3.6-4.2 <5%

Medios granulares de soporte y sistemas de distribución de agua

La función de los difusores en un filtro es soportar los medios filtrantes, recolectar y dirigir el agua hacia afuera del filtro, así como distribuir el agua (y el aire, en casos raros) para efectuar los retrolavados. Estos aparecieron en el mercado en años recientes, y se describen más adelante.

Anteriormente, los sistemas de distribución de agua consistían en un arreglo de tuberías con perforaciones que se hacían mediante un taladro. Estas perforaciones solían tener un diámetro de ¼” y ½”. La tubería perforada quedaba inmersa en una capa de grava cuyas partículas menores debían ser de por lo menos el doble de tamaño de las perforaciones. Sobre esta capa de grava se ponían otras, cada vez de menor tamaño de partícula, hasta la que sostenía al medio granular filtrante (Figura 3). La guía para la selección de tamaño y profundidad de las capas de gravas de soporte para un filtro de medio granular se encuentra en el Apéndice D del estándar B100-16 de la AWWA.

Sistema de distribución con capas de grava

Figura 3. Sistema de distribución con capas de grava

Los difusores modernos son sistemas microranurados con un diseño especial (como la ranura tipo Johnson, Figura 4) que evitan el paso del material filtrante hacia el interior del difusor sin la necesidad del uso de gravas. Estos difusores pueden tener distintas formas, como las que se muestran en la Figura 5.

Diseño del elemento tipo JohnsonFigura 4. Diseño del elemento tipo Johnson

Para lograr una distribución uniforme del flujo de retrolavado, se recomienda lo siguiente:

  1. La abertura de los orificios debe ser lo suficientemente pequeña para tener una caída de presión controlada. La caída de presión en los distribuidores durante el retrolavado varía entre 0.1 a 3 m columna de agua. Esto depende del diseño de los mismos y de la velocidad del retrolavado.
  2. La velocidad del flujo en la tubería del sistema de distribución deber ser uniforme a través de toda el área transversal del filtro.

(a) Tobera Johnson de acero inoxidable, (b)hidroesfera tipo Johnson de ABS, (c) difusor Bajonet Pentair

Figura 5. (a) Tobera Johnson de acero inoxidable, (b)hidroesfera tipo Johnson de ABS, (c) difusor Bajonet Pentair

 

Retrolavado

El retrolavado es una parte indispensable en la operación de todos los filtros de medios granulares, consiste en la fluidización de la cama (el porcentaje en el que se debe expandir la cama depende de cada medio granular). La ejecución incorrecta o la omisión del retrolavado es la causa más frecuente de problemas en los filtros de medios granulares. Los problemas que se pueden presentar por retrolavar de forma inadecuada son los siguientes:

  • Formación de lodos en la superficie que ocasionan la reducción del área disponible para la filtración. Esto ocasiona un aumento en la carga hidráulica (velocidad superficial) y en la caída de presión.
  • Fuga de partículas acarreadas por el efluente.
  • Al no retrolavar adecuadamente la cama (es decir, lograr la expansión de la misma) con la frecuencia suficiente, el medio granular puede Esto es, los gránulos se pegan entre sí. Cuando esto sucede, se dice que la cama se petrificó. Una cama petrificada termina por fracturarse, lo que ocasiona que el flujo se canalice (es decir, que circule por las grietas), y no se filtre.

Bibliografía

  • (2016). ANSI/AWWA B100-16 Granular Filter Material. American Water Works Association.
  • (1999). Water Quality &Treatment a Handbook of Community Water Supplies. McGraw-Hill.
  • (2011). Operational control of coagulation and filtration processes. American Water Works Association.

 

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