1.6: Filtración

Objetivos de aprendizaje

Después de leer este capítulo deberías poder identificar y explicar lo siguiente:

• Tecnologías de tratamiento
• Configuraciones y tipos de medios filtrantes
• Funcionamiento del filtro y lavado a contracorriente
• Matemática de filtración

La filtración es el requisito final y más importante de eliminación requerido por la Regla de Tratamiento de Agua Superficial (SWTR). El agua pasa a través de material como arena, grava y carbón antracita para eliminar los flóculos y los microorganismos causantes de enfermedades del agua terminada. La eliminación física de coloides también se logra durante la sedimentación, pero esta filtración es el paso final. Este es el proceso donde las partículas coloidales suspendidas se eliminan del agua. Además de eliminar posibles materiales patógenos en el agua, también se logra la eliminación de turbidez que podría ocultar organismos patógenos y agregar color al agua terminada.

Figura\(\PageIndex{1}\): Imagen del tratamiento del agua por la EPA es de dominio público

El SWTR establece pautas para todas las agencias públicas de agua que utilizan el agua superficial como fuente. El agua superficial fue cubierta en el capítulo #1 y es cualquier agua abierta a la atmósfera que es susceptible a la escorrentía. Los requisitos mínimos para el tratamiento es la desinfección, pero la mayoría de las fuentes de agua no cumplen con estas pautas muy estrictas.

La efectividad de la filtración se basa en varios factores importantes. La filtración adecuada ocurre en función de la calidad del agua de la fuente entrante Por ejemplo, un evento de tormenta cerca de la fuente de agua podría presentar mayor turbidez entrante de lo que la planta de tratamiento está acostumbrada a manejar. Es posible que se requieran cambios operativos como lavar filtros. Las características físicas y químicas del material suspendido también entran en juego durante el tratamiento. Demasiada o muy poca sustancia química puede llevar a una filtración ineficaz. Para seguir el ejemplo del evento de tormenta, un operador puede necesitar realizar cambios en las dosis de coagulante y polímero para tener en cuenta el aumento de la turbidez y partículas que ingresan a la planta de tratamiento. Por último, el tipo de filtración que utiliza una instalación de tratamiento también es muy importante. Esta decisión está principalmente fuera de manos de los operadores, ya que los ingenieros y expertos en calidad del agua decidirán cuál es el proceso de tratamiento más efectivo para el agua de origen antes de construir una instalación de tratamiento.

A continuación se muestra un filtro en funcionamiento normal.

Figura\(\PageIndex{2}\)

Tecnologías de Tratamiento

Hay cuatro tecnologías de tratamiento aprobadas en Estados Unidos. Las tecnologías de tratamiento más utilizadas incluyen el tratamiento convencional, la filtración directa, el tratamiento de tierra de diatomeas y la filtración lenta de arena. A continuación se presentan las descripciones:

Las instalaciones de filtración lenta de arena son cada vez menos comunes debido a la gran cantidad de tiempo que lleva tratar el agua y la gran cantidad de espacio que requieren las instalaciones. Las tasas de filtración para la filtración lenta de arena son de .05 a .10 GPM/pies cuadrados. Las partículas se adsorben en una capa química conocida como schmutzdeke. Después de cierto tiempo, la capa biológica debe ser removida manualmente por un operador o personal de mantenimiento. El tiempo lento y el trabajo intensivo hacen que este método de tratamiento sea el menos ideal especialmente en áreas con poblaciones más grandes.

Figura\(\PageIndex{3}\): Imagen de The Open University está licenciada bajo CC BY-NC-SA

La filtración de tierra de diatomeas se realiza mediante filtración a presión. También se puede denominar filtración de precapa. El medio filtrante en este caso se agrega como suspensión al recipiente de tratamiento. Dentro del vaso se encuentra una tubería conocida como tabique. La suspensión se adhiere al tabique y el agua pasa a través del recipiente donde se captura el material patógeno y suspendido y se extrae del agua terminada. Este tipo de proceso de tratamiento es muy común para las empresas de tratamiento de piscinas y bebidas. Este tipo de método de tratamiento generalmente no es utilizado por municipios más grandes debido a la gran cantidad de eliminación de lodos y la compra continua de medios filtrantes.

Figura\(\PageIndex{4}\): Imagen de COC REA está licenciada bajo CC BY

La filtración por gravedad está compuesta por las dos últimas tecnologías aprobadas de Tratamiento de Agua. La filtración directa y el tratamiento convencional son las tecnologías de tratamiento más utilizadas en los Estados Unidos. Se describe como filtración por gravedad porque la presión de carga del agua obliga al agua a viajar a través de medios filtrados para eliminar impurezas del agua potable. La Filtración Directa difiere del tratamiento convencional porque se omite el proceso de sedimentación. Las áreas con agua fuente de mayor calidad pueden optar por filtración directa para reducir costos y la cantidad de espacio terrestre para las cuencas de sedimentación puede ser sustancial. La tasa de filtración promedio para lechos de filtración por gravedad es de 3.0 GPM/Sq. ft.- 6.0 GPM/ sq. ft.

Figura\(\PageIndex{5}\): Filtración directa - La imagen de la EPA es de dominio público

Figura\(\PageIndex{6}\): Tratamiento Convencional - La imagen de la EPA es de dominio público

Los métodos alternativos de plantas de tratamiento pueden ser aprobados caso por caso. Se han utilizado nuevas tecnologías como la filtración por membrana y la ósmosis inversa, ya que la tecnología ha mejorado y los costos asociados con la ejecución de estas operaciones particulares han disminuido. Santa Clarita Valley (SCV) Water utiliza una tecnología alternativa conocida como Clarificación Upflow. SCV Water es capaz de utilizar esta tecnología debido a los muy bajos niveles de turbidez en el agua proporcionada por Castaic Lake. Es una versión más condensada del tratamiento convencional y requiere mucho menos espacio debido a la falta de cuencas de sedimentación.

Medios filtrantes

El tipo de medio utilizado en los filtros de gravedad es arena, carbón antracita y granate. El granate es una arena mineral de color rojizo compuesta por silicatos (calcio, hierro, manganeso y magnesio) y su densidad es mayor que la arena. La grava también se usa como filtro debajo de la capa debajo del medio filtrante que se está utilizando. Tiene que ser más pesado que los medios filtrantes, por lo que es capaz de asentarse debajo del medio después de un ciclo de lavado del filtro completado.

Al elegir medios filtrantes es importante seleccionar medios que tengan buenas características hidráulicas, sean duraderos, no tengan impurezas, sean insolubles en agua, no se disuelvan y no reaccionen con los constituyentes en el suministro de agua. Los medios se clasifican por cuatro parámetros, incluyendo su tamaño efectivo, eficiencia uniforme, gravedad específica y dureza de los medios. El tamaño efectivo es la abertura del tamiz en el medio que permite que el agua pase a través mientras recoge las impurezas en el agua. El 90 por ciento de las partículas deben ser más grandes que la abertura para filtrar las partículas.

Al decidir qué tipo de medio elegir para el archivador, es importante considerar la cantidad de tiempo que tarda en abrirse paso la turbidez del filtro. Por ejemplo, se opera una planta de tratamiento que requiere filtros individuales digamos por debajo de 0.3 NTU (o Unidades de Turbidez Nefelométrica). Una vez que un filtro individual supera este límite debe ser lavado. En segundo lugar, la pérdida de cabeza debe ser una consideración. La pérdida de carga ocurre después de que el material se acumula con el tiempo durante el proceso de filtración La pérdida de carga provocará tiempos de filtración más largos y hará que el nivel del filtro aumente. Una vez que un filtro alcanza la pérdida de cabeza terminal, debe ser lavado a contracorriente. El medio no siempre es la causa de la pérdida de la cabeza y el avance de la turbidez. Como se discutió anteriormente, los operadores deben asegurarse de que están dosificando los productos químicos correctamente, ya que una dosificación inadecuada puede causar la pérdida de cabeza y el avance

El coeficiente uniforme es la relación entre los diferentes tamaños de medios comprendidos en el lecho filtrante. Cuanto menor sea el coeficiente uniforme significa que el medio está más cerca del mismo tamaño que si fuera mayor. Cuanto menor sea el número de eficiencia se suma al costo de los medios.

La producción de filtros es la cantidad de agua que un filtro determinado puede producir en un día. Este flujo suele contabilizarse en Millones de Galones por Día (MGD). Las tasas de filtración individuales se calculan dividiendo el caudal del filtro en galones por minuto por la superficie de un filtro. La tasa de filtración para filtros de gravedad puede estar entre 2gpm-10gpm/pie cuadrado. Este tema se discutirá con más detalle durante la parte matemática de este capítulo.

Figura\(\PageIndex{7}\): Filtro de arena de gravedad rápida - Imagen de The Open University está licenciada bajo CC BY-NC-SA

Tipos de medios filtrantes
Grava Imagen de Martin Olsson está licenciada bajo CC BY-SA 3.0	Arena La imagen de Yug es de dominio público	Granate La imagen de Siim está licenciada bajo CC BY-SA 4.0	Antracita La imagen es de dominio público

Hay varios tipos diferentes de configuraciones de medios. Las plantas de filtración pueden utilizar monomedia, medios de duelo y configuraciones multimedia. Una planta monomedia tiene solo un tipo de medio que podría ser arena gruesa o carbón antracita. Los filtros de medios individuales pueden tener que lavarse con más frecuencia, ya que tienden a ser más pequeños y tienen problemas de pérdida de cabeza más frecuentes. Los filtros duales consisten en un nivel de arena inferior y una capa superior de antracita con poros de mayor diámetro que permiten una penetración más profunda de los sólidos. Finalmente, los filtros multimedia se utilizan en aplicaciones de tratamiento de recipientes a presión. Los filtros multimedia tienen arena, antracita y una capa superior de granate. El inconveniente de los recipientes a presión es la incapacidad de ver los medios filtrantes dentro del recipiente a presión.

Filtros de operación y lavado a contracorriente

A lo largo del capítulo, ha surgido el tema del “lavado”. Los tiempos de ejecución del filtro dependen de tres factores, pero primero es importante saber cómo se mide la eficiencia del filtro. La eficiencia de un filtro se mide por la turbidez del efluente del filtro. Y la eficiencia general de la planta mide la turbidez combinada de efluentes de todos los filtros. La coagulación y filtración inadecuadas podrían dar lugar a picos de turbidez y en el peor de los casos podrían conducir a una crisis de salud pública.

A continuación se muestra una foto de una cubierta de filtro típica en una planta de tratamiento de agua.

Figura\(\PageIndex{8}\)

El primer factor que utiliza un operador para determinar si es necesario un lavado del filtro es la turbidez del filtro individual. Cada planta de tratamiento tendrá sus propias condiciones de operación y permisos a seguir. Si un filtro individual no cumple con los objetivos o límites de turbidez, el filtro debe colocarse en un ciclo de retrolavado. Los filtros que continúan teniendo tiempos de ejecución disminuidos pueden necesitar un perfil de filtro ejecutado para averiguar por qué los filtros no cumplen con los estándares.

La alta pérdida de carga es el segundo factor que conducirá a un lavado del filtro. Después de que el filtro se usa por cierto periodo de tiempo se obstruye con los sólidos que el filtro está quitando. Esta condición también conducirá a un aumento de la turbidez a medida que los sólidos que deberían ser capturados “atraviesan” el efluente en el suministro de agua tratada. Finalmente, se realizará un lavado del filtro después de cierto periodo de tiempo sin importar cuáles sean las condiciones de operación. Este es el escenario ideal para lavar un filtro.

El procedimiento de retrolavado es el flujo inverso de agua a través del filtro. Este proceso elimina los sólidos del filtro después del avance o se alcanza el tiempo de ejecución del filtro. Los operadores deben operar las tasas de retrolavado en un rango óptimo porque las tasas inadecuadas no eliminarán adecuadamente los sólidos del filtro y las tasas excesivas pueden hacer que se formen bolas de lodo y montículos dentro del filtro.

El agua lavada se puede reciclar enviando el flujo de desechos a las cuencas colectoras. El agua puede entonces ser devuelta a las obras principales de la planta y ser mezclada con agua cruda para ser tratada nuevamente. La regla de retrolavado del filtro limita la cantidad de agua que se puede devolver a las obras de cabeza de la planta en un momento dado. Devolver demasiada agua reciclada podría aumentar las posibilidades de permitir que microorganismos como Cryptosporidium ingresen a la planta de tratamiento.

Figura\(\PageIndex{9}\)

El Filtro a la izquierda está en proceso de retrolavado de filtro. El agua se mueve en sentido contrario y se desborda sobre el vertedero y se dirige a la cuenca de desechos donde se recoge y finalmente regresa a las obras de cabecera de la planta para ser tratada nuevamente. Acciones del Operador

Como operador de Tratamiento de Agua, se espera que tenga conocimiento de cómo utilizar adecuadamente los equipos relacionados con la filtración. Mientras ejecuta una planta de tratamiento, rutinariamente:

• Monitorear el rendimiento del filtro
• Verifique los niveles de turbidez con analizadores en línea y tome muestras
• Ajustar los caudales químicos
• Filtros de retrolavado
• Inspeccionar visualmente los filtros

Los filtros funcionan de manera diferente bajo condiciones cambiantes del agua. La planta no siempre funcionará igual que las diferencias de temperatura y los eventos de tormenta harán que los operadores examinen consideraciones operativas importantes de vez en cuando. Es importante observar el clima y entender cómo podría afectar a la planta de tratamiento. Una tormenta severa cerca de su fuente de agua podría aumentar los niveles de turbidez que ingresan a la planta. En estas condiciones, los operadores pueden tener que lavar los filtros con mayor frecuencia y hacer ajustes a las dosis químicas.

Hay otras condiciones anormales a considerar al monitorear el rendimiento del filtro. Monitoree los lavados de los filtros para buscar bolas de barro, ebullición excesiva en ciertos puntos y los medios que se desplazan y envían a las cuencas de desechos. Estas condiciones indicarían que el flujo de retrolavado es demasiado alto. También identifique tiempos de ejecución de filtros más cortos, filtros que pueden no estar saliendo limpios y crecimiento de algas. Estos factores pueden deberse a una dosificación química inadecuada y a un flujo de retrolavado demasiado bajo.

Matemática de Filtración

Tasa de Filtración

Calcular la tasa de filtración de los filtros en su planta es una función importante. Los planes y permisos de operación limitan la cantidad de agua que un filtro puede producir, por lo que es importante tener una comprensión de las tasas de filtro también conocidas como tasas de carga. Las tasas de filtración también le darán al operador una comprensión básica de la producción promedio diaria de las plantas de tratamiento.

La fórmula de la velocidad de filtración es una ecuación de velocidad. Estas fórmulas se confunden fácilmente con problemas de flujo así que asegúrate de prestar atención a las unidades que agregues a la fórmula y prestar atención a lo que el problema está preguntando. La fórmula para la velocidad de filtración es:

Tasa de Filtración = Caudal ÷ Área

Las ecuaciones de velocidad de filtración usarán GPM y el área de un filtro dado. El área del filtro es largo x ancho. Un problema puede darte la profundidad de un filtro para confundirte. Preste mucha atención a la redacción en el problema.

Ejemplo 1

¿Cuál es la tasa de filtración de una planta de tratamiento que tiene 3 filtros de 20 pies de ancho y 20 pies de largo en una planta que produce 1 MGD?

Tasa de Filtración = (20 pies x 20 pies x 3) ÷ 1 MGD

1,000,000 gal/1 Día x 1 Día/24 horas x 24 horas/60 min = 694 GPM1

*Nota: Atajo rápido para ecuaciones futuras, hay 1,440 minutos en un día.

Tasa de Filtración = 1,200 pies ² ÷ 694 GPM

Tasa de Filtración = 1.73 gpm/ft ²

Tasa de retrolavado

Como se discute en el capítulo, después de que un filtro alcanza su capacidad debido a la pérdida de carga, la ruptura de turbidez o la cantidad máxima de horas de funcionamiento, el filtro debe ser lavado. La velocidad del agua del ciclo de lavado del filtro será mucho mayor que la cantidad de agua que fluye a través del filtro durante el funcionamiento normal. Muchas ecuaciones matemáticas harán que el operador resuelva para la tasa de aumento que se expresa como in/min. El lavado a contracorriente es el flujo de agua en la dirección opuesta donde el agua se mueve hacia arriba en lugar de hacia abajo.

Ejemplo 2

La tasa máxima de retrolavado para un filtro es de 5,000 GPM. El filtro es de 20 pies de ancho y 20 pies de largo. ¿Cuál es la tasa de subida en el filtro?

Velocidad de subida = Caudal ÷ Área

Tasa de subida = 5,000 GPM ÷ 400 ft ²

Tasa de subida = 12.5 GPM/ sq. /pies

12.5 gal/min (ft) /1 x 12 pulgadas/1 ft x 1 ft³/7.48 gal = 20 pulgadas de elevación/min

Porcentaje de Lavado Posterior

Las plantas de tratamiento de agua son muy eficientes en el reciclaje de aguas residuales. El agua que se envía a las cuencas de desechos y lagunas es capaz de reciclarse pero sólo una cierta cantidad a la vez. El porcentaje de problemas matemáticos de retrolavado compara la producción total de la planta con la cantidad de agua terminada utilizada para retrolavar un filtro.

Ejemplo 3

Una planta de tratamiento trata 2 MGD. Cuenta con 2 filtros que se lavan cada día y cada uno utiliza 10,000 galones durante el lavado. ¿Cuál es el porcentaje de agua de retrolavado?

2 filtros x 10,000 galones = 20,000 galones

20,000 gal/2,000,000 gal = 0.01

100 × 0.01 = 1%

El 1% del agua que usa la planta es para el agua de retrolavado.

Revisión del Capítulo

1. Los sólidos retirados de un filtro se eliminan más comúnmente por qué método?
   1. Adsorción
   2. Esforzamiento
   3. Desactivación
   4. Floculación
2. ¿Cuál es una tasa de filtración típica para los filtros de arena lentos?
   1. 2.0-6.0 GPM/pies cuadrados
   2. 6.0-10.0 GPM/pies cuadrados
   3. 1.0-2.0 GPM/pies cuadrados
   4. 0.5-0.10 GPM/pies cuadrados
3. En una planta de tratamiento convencional típica, la turbidez del agua terminada para un filtro individual debe ser menor a ___________.
   1. 1.0 NTUs
   2. 0.3 NTUs
   3. 5.0 NTUs
   4. 3.0 NTUs
4. Un filtro funcionando en condiciones normales verá pérdida de carga en un filtro ___________.
   1. Permanecer constante
   2. Aumente lentamente
   3. Aumente rápidamente
   4. Disminuir lentamente
5. Se debe lavar un filtro si se cumple esta condición:
   1. Pérdida de cabeza
   2. Avance de turbidez
   3. Tiempo máximo de ejecución del filtro
   4. Todo lo anterior
6. El rendimiento del filtro se mide mediante la eliminación de ___________.
   1. Oxígeno
   2. Pérdida de cabeza
   3. Turbidez
   4. Cloro
7. ¿Cómo se llama la capa biológicamente activa de un filtro de arena lento?
   1. Técnica mixta
   2. Medios de duelo
   3. Capa de lodos
   4. Schmutzdecke
8. La caída de presión en un filtro se llama ___________.
   1. Avance de turbidez
   2. Pérdida de cabeza
   3. Filtración
   4. Retrolavado
9. ¿Cuál es la razón más común para poner un filtro en el ciclo de lavado?
   1. Pérdida de cabeza
   2. Tiempo de ejecución del filtro
   3. Avance de turbidez
   4. Reducción del nivel de agua
10. La formación de bolas de lodo y la ebullición excesiva durante un lavado es un indicador de ___________.
    1. Tasa de retrolavado adecuada
    2. Tasa de retrolavado demasiado baja
    3. Tasa de retrolavado excesiva
    4. Dosis química inadecuada
11. Los procesos importantes que ocurren durante la filtración son ___________.
    1. Sedimentación
    2. Adsorción
    3. Esforzamiento
    4. Todo lo anterior
12. Las tasas de filtración típicas para una planta de tratamiento convencional son ___________.
    1. 0.2-0.6 GPM/Sq.ft
    2. 2.0-10.0 GPM/Sq.ft
    3. 10.0-20.0 GPM/Sq.ft
    4. 200-400 GPM/Sq.ft
13. Hay cuatro filtros en una planta de tratamiento de agua. Los filtros miden 20 pies de ancho por 30 pies de largo. ¿Cuál es la tasa de filtración si la planta procesa 8.0 MGD?
    1. 1.51 GPM/Sq.ft
    2. 2.31 GPM/Sq.ft
    3. 2.61 GPM/Sq.ft
    4. 2.91 GPM/Sq.ft
14. Una planta de tratamiento de agua trata 6.0 MGD con cuatro filtros. Los filtros utilizan 60,000 galones por lavado. ¿Cuál es el porcentaje de retrolavado en la planta?
    1. 10%
    2. 8%
    3. 6%
    4. 4%
15. Un filtro de planta de tratamiento lava a razón de 10,000 GPM. El filtro mide 18 pies de ancho por 24 pies de largo. ¿Cuál es la tasa de subida expresada en pulgadas por minuto?
    1. 17 pulgadas/min
    2. 27 pulgadas/min
    3. 37 pulgadas/min
    4. 47 pulgadas/min