Filtros en medio granular

Industriales. Principios. Filtrado. Funcionamiento. Variables. Tecnología. Cálculo

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FILTRACIÓN EN MEDIO GRANULAR

PRINCIPIOS DEL PROCESO.-

Para qué sirve

  • Según el libro “Ingeniería de A.r. Tratamiento, vertido y reutilización” del autor Metcalf y Heddy INC, nos dice que la filtración sirve para conseguir una mayor eliminación de sólidos en suspensión de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y químicos, y también se emplea para la eliminación del fósforo precipitado por vía química.

  • Según la “Enciclopedia Universal Ilustrada” de Hijos de Jepasa, nos dice que la filtración tiene por objeto separar una materia sólida insoluble de un líquido en el cual se encuentra en suspensión.

Cómo funciona

La operación completa de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración. En la fase de lavado el filtro es de funcionamiento continuo o semicontinuo; en éste, la filtración y el lavado son fases que se dan una a continuación de la otra, mientras que el los filtros de funcionamiento continuo ambas fases se producen de forma simultánea.

En las operaciones de filtración semicontinuas, se elimina la materia particulada. Se lleva a cabo haciendo circular el agua a través de un lecho granular, con o sin la adición de reactivos químicos. Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua residual se realiza mediante un complejo proceso en el que intervienen uno o más mecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto y sedimentación.

El final del ciclo de filtrado se alcanza cuando empieza a aumentar el contenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un nivelo máximo aceptable o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la circulación a través del lecho filtrante; luego se termina la fase lavando el filtro a contracorriente para eliminar los sólidos que se han acumulado dentro del lecho granular filtrante. Para esto se aplica un caudal de agua de lavado suficiente para expandir el medio filtrante granular y arrastrar el material acumulado en el lecho. Para mejorar y favorecer la operación de lavado del filtro, suele emplearse una combinación de agua y aire.

Representación esquemática de un filtro convencional de flujo descendente por gravedad de medio granular

Secuencia de funcionamiento del filtro:

  • Abrir la válvula A (permite la entrada de agua).

  • Abrir la válvula B (permite que el agua fluya a través del filtro).

  • Durante la operación de filtración, todas la demás válvulas permanecen cerradas.

  • Operación de lavado del filtro:

  • Cerrar la válvula A.

  • Cerrar la válvula B cuando el nivel de agua en el filtro descienda hasta el borde del aliviadero.

  • Abrir las válvulas C y D. ( El agua fluye a través del medio filtrante en sentido ascendente, expandiendo la arena y lavando los sólidos. El agua de lavado se envía a cabeza de la plataforma de tratamiento).

  • Operación de acondicionamiento:

  • Abrir las válvulas A y E. Todas las demás válvulas cerradas. En ciertas ocasiones se filtra agua durante algunos minutos tras el lavado del filtro para acondicionarlo antes de ponerlo en funcionamiento. El agua filtrada se envía a la red de drenaje.

  • En las operaciones de filtración continua, como el filtro de puente de translación o el filtro de flujo ascendente, las fases de filtración y de lavado se realizan simultáneamente. En este tipo de filtros no existen los conceptos de turbiedad límite del efluente ni de pérdida de carga máxima admisible en la circulación a través del lecho filtrante.

    En el filtro de puente de translación, el agua residual inunda el lecho filtrante, fluye a través del medio por gravedad, y sale del filtro a través de unos orificios de salida del efluente situados por debajo de cada celda de filtración.

    Durante el ciclo de lavado a contracorriente, el puente y los equipos incorporados a él se desplazan lentamente por encima del lecho filtrante, aislando y lavando cada una de las celdas de manera consecutiva, sin detener el proceso de filtración. La bomba de lavado a contracorriente, situada en el canal que recoge el efluente de las celdas de filtración, bombea agua filtrada y la introduce a presión por las conducciones de salida de cada una de las celdas para conseguir el lavado a contracorriente. La bomba extrae el agua con materias en suspensión producto del lavado de las celdas y la transfiere a la salida del agua de lavado. Este funcionamiento permite ir lavando, una a una, todas las celdas sin que afecte al funcionamiento de las demás.

    En el filtro de flujo ascendente el líquido que hay que filtrar fluye en dirección ascendente a través del lecho filtrante, al tiempo que la arena, que se mueve a contra corriente, se va limpiando de forma continua. La arena se bombea desde el fondo del filtro, por una tubería central, mediante un air-lift hasta un dispositivo de lavado situado en la parte superior del filtro. Durante el bombeo de la arena, la materia acumulada en los granos individuales se eliminan por abrasión -contacto entre granos de arena- y por acción de las fuerzas de viscosidad del fluido. La materia eliminada de la arena se evacua por un vertedero situado en el dispositivo de limpieza de la misma.

    Tipo de funcionamiento.- Los filtros se pueden clasificar en continuos y semicontinuos. Los semicontinuos se mantienen en funcionamiento hasta que se empieza a deteriorar la calidad del efluente o hasta que se produce una pérdida de carga excesiva en el filtro. Cuando se alcanza este punto, se detiene el filtro y se procede a su lavado para eliminar los sólidos acumulados. En los filtros continuos, los procesos de filtración y lavado se llevan a cabo de manera simultánea.

    Los principales tipos de filtros se pueden clasificar en filtros de flujo ascendente y filtros de flujo descendente, los cuales son los más comunes.

    Los tipos de materiales filtrante se clasifican en función del número de capas de material filtrante.

    Gran parte de la eliminación de sólidos en suspensión se produce en los primeros milímetros de la capa filtrante.

    # A continuación se expone el diagrama de la estratificación del lecho después del lavado de filtros de medio único, doble y triple.

    Características del agua a filtrar.-

    Las características más importantes del agua a filtrar son la concentración de sólidos en suspensión, el tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, y la consistencia de los gránulos.

    Generalmente, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente de plantas de fangos activados y de filtros percoladores varía entre 6 y 30 mg/l. Para el control práctico del proceso de filtrado se suele emplear el valor de la turbidez.

    Principales variables que intervienen en el diseño de filtros de medio granular

    Variable.-

  • Característica del medio filtrante:

  • Tamaño del grano.

  • Distribución del tamaño del grano.

  • Forma, densidad y composición del grano.

  • Carga del medio.

  • Porosidad del lecho filtrante.

  • Profundidad del lecho filtrante.

  • Velocidad de filtración.

  • Pérdida de carga admisible.

  • Características del agua residual a tratar:

  • Concentración de sólidos en suspensión.

  • Distribución y tamaño del flóculo.

  • Carga del flóculo o partícula.

  • Propiedades del fluido.

  • Significado.-

  • Afectan a la eficacia de eliminación de partículas y al aumento de la pérdida de carga.

  • Determina la cantidad de sólidos almacenables en el filtro.

  • Afecta a la pérdida de carga y a la duración del ciclo.

  • Utilizada junto con las variables 1,2,3, y 6 para calcular la pérdida de carga con agua limpia.

  • Variable de proyecto.

  • Afectan a las características de eliminación para una configuración dada del lecho filtrante. Las características indicadas del agua a tratar pueden ser controladas, hasta cierto punto, por parte del proyectista.

  • Las características del medio filtrante que más afecta al proceso de filtración es el tamaño del grano. Este tamaño afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del agua a través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de filtración.

    La velocidad de filtración dependerá de loa consistencia de los granos y del tamaño medio de grano del lecho filtrante.

    TECNOLOGÍAS.-

    Mecanismos de eliminación de las partículas

    Se ha comprobado que la acción de retención es el principal responsable de la eliminación de los sólidos en suspensión en la filtración del efluente de procesos de sedimentación secundaria en tratamientos biológicos.

    La interceptación, el impacto y la adhesión son ejemplos de mecanismos que tienen menor influencia en esta filtración.

    Las partículas más pequeñas se eliminan en dos fases: transporte de las partículas hasta la superficie y posterior eliminación por los mecanismos que intervengan.

    La eliminación de la materia en suspensión por el mecanismo de retención puede identificarse debido a:

  • la variación temporal de las curvas de eliminación de concentración normalizadas a lo largo del filtro.

  • La forma de la curva de pérdidas de carga en el filtro en la totalidad del mismo, o en una capa determinada.

  • Si la retención es el principal mecanismo de eliminación, la forma de la curva de eliminación normalizada no presentará grandes variaciones en el tiempo, y las curvas de pérdidas de carga serán curvilíneas.

    Mecanismos actuantes en el seno de un filtro de medio granular que contribuyen a la eliminación de la materia en suspensión

    Mecanismo:

  • Retención:

  • mecánica.

  • Contacto aleatorio.

  • Sedimentación.

  • Impacto.

  • Intercepción.

  • Adhesión.

  • Adsorción química:

  • enlace.

  • Interacción química.

  • Adsorción física:

  • fuerzas electrostáticas.

  • Fuerzas electrocinéticas.

  • Fuerzas de Van der Waals.

  • Floculación.

  • Crecimiento biológico.

  • Descripción:

  • a) Las partículas de mayor tamaño que los poros del medio filtrante son retenidas mecánicamente.

  • Las partículas de tamaño menor que los poros del medio filtrante quedan atrapadas dentro del filtro por contacto aleatorio.

  • Las partículas sedimentan sobre el medio filtrante.

  • Las partículas pesadas no seguirán las líneas de corriente de flujo.

  • Muchas de las partículas que se mueven según las líneas de corriente se eliminan cuando entran en contacto con la superficie del medio filtrante.

  • Las partículas floculentas llegan a adherirse a la superficie del medio filtrante al pasar por él. Dada la fuerza creada por el agua que fluye, parte de la materia es arrastrada antes de quedar firmemente adherida y es transportada a zonas más profundas dentro del lecho. Al obturarse el lecho, la fuerza de arrastre superficial aumenta hasta un punto en el que no se puede eliminar más materia. Es posible que una cierta cantidad de material atraviese el fondo del filtro, causando la aparición de turbidez en el efluente.

  • y 7. Una vez que una partícula ha entrado en contacto con la superficie del medio filtrante o con otras partículas, cualquiera de estos mecanismos, o ambos a la vez, pueden ser responsables de su retención.

  • 8. Las partículas mayores alcanzan a las menores, se juntan con ellas y forman partículas de tamaños aún mayores. Estas partículas son eliminadas por alguno de los mecanismos de eliminación existentes.

    9. El crecimiento biológico dentro del filtro reducirá el volumen del poro y puede mejorar la eliminación de partículas mediante alguno de los mecanismos de eliminación existentes.

    # A continuación se expone la eliminación de la materia en suspensión en un filtro granular: a) por retención; b) por sedimentación o impacto inercial; c) por intercepción; d) por adhesión, y e) por floculación.

    CÁLCULO.-

    Cálculo de la pérdida de carga del agua limpia con un filtro de medio granular.

    Determinar la pérdida de carga con agua limpia en un lecho filtrante compuesto por 30 cm de antracita uniforme con un tamaño medio de 1,6 mm y 30 cm de arena uniforme con un tamaño medio de 0,5 mm, para una velocidad de filtración de 160 l/m´.min. Suponer que la temperatura de funcionamiento es de 20ºC. Emplear la Ecuación de Rose para calcular la pérdida de carga. Adoptar valores & 0,73 y 0,82 para la antracita y la arena respectivamente.

    Solución

  • Determinar del Número de Reynolds para las capas de arena y antracita:

  • Capa de antracita

  • Nr = d. l. Vs / r d = 1,6 mm = 1.6 .10 m

    Vs = 160l / min / (1000 l/m) = 0,16 m/min

    ( Nótese que la velocidad de filtración se convierte en una velocidad lineal equivalente convirtiendo el volumen expresado en litros ).

    R en 20ºC = 1,003.10 m´/s

    Nr = (1,6.10 ).(0,16 m/min).(1 min/60s) / 1,003.10 m´/s = =3,105

  • Capa de arena

  • Nr = (0,5.10 ).(0,16 m/min).(1min/60s) / 1,003.10 m´/s = 1,9

  • Determinación del coeficiente de arrastre CD

  • Capa de antracita

  • CD = 24/Nr + 3/ Nr + 0,34 = 24/3,105 + 3/ 3,105 + 0,34 = 9,77

  • Capa de arena

  • CD = 24/1,09 + 3/ 1,09 + 0,34 = 25,23

  • Determinación de la pérdida de carga a través de las capas de arena y antracita :

  • Capa de antracita

  • H = 1,067/&. CD .1/ . L/d . Vs/g

    & = + 0,73

    CD = 9,77

    = 0,4 ( valor supuesto ) = 0,0256

    L = 0,3 m

    D = 1,6.10 m

    V = 0,16 m/min = 2,67.10 m/s

    G = 9,81 m/s´

    H = 1,067 / 0,73.(9,77).(1 / 0,0256).(0,3 m/1,6.10 m).2,67.10 m´/s /9,81 m/s = 0,076 m

  • Capa de arena

  • & = 0,82

    CD = 25,23

    = 0,4 ( valor supuesto ) = 0,0256

    L = 0,3 m

    D = 5.10 m

    V = 2,67.10 m/s

    G = 9,81 m/s´

    H = 1,067/0,82.(25,23).( 1/0,0256).(0,3 m/5.10 m).2,67.10 m´/s / 9,81 m/s´ = 0,0557

  • Determinación de la pérdida de la carga total Ht

  • Ht = pérdida de carga a través de la capa de antracita + pérdida de carga a través de la capa de arena.

    Ht = 0,076 m + 0,557 m = 0,663 m

    Comentario.- Los cálculos de las pérdidas de carga realizados enj este ejemplo han sido simplificados al suponer que las capas de antracita y arena son de tamaño uniforme. Cuando se trate de lechos filtrantes estratificados, se puede emplear el mismo sistema de cálculo, pero considerando que la perdida de carga total es la suma de las pérdidas producidas en las sucesivas capas.

    Bibliografía.-

    # Ingeniería de A.r.

    Tratamiento, vertido y reutilización.

    Metcalf y Hedí, INC.

    # Enciclopedia Universal Ilustrada

    Hijos de Jepasa Editores Barcelona