Ingeniería Ambiental - Grado en Tecnologías de la Ingeniería CivilTEMA FILTRACIÓN RÁPIDA 1.- FUNDAMENTOS 2.- FUNCIONAMIENTO DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA 3.- ESTRUCTURA Y TIPOLOGÍA 3.1.- Estructura 3.2.- Tipología de filtros 4.- CONTROL DEL PROCESO 5.- PARÁMETROS DE DISEÑO 5.1.- Aplicaciones 5.2.- Parámetros de diseño según el tipo de filtro 5.3.- Parámetros de diseño generales 1.- FUNDAMENTOS En el proceso de filtración rápida el agua atraviesa el lecho filtrante a velocidades que pueden oscilar entre 4 y 50 m/h. A estas velocidades apenas se forma biopelícula y los procesos biológicos van a ser escasos y, si existen, se va a tratar de eliminarlos. Se busca hacer funcionar todo el lecho del filtro. Los mecanismos de eliminación de partículas que van a preponderar serán los físicos. 2.- FUNCIONAMIENTO DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA Si se representa en un sistema de coordenadas x-y la turbidez y la pérdida de carga frente al tiempo en un proceso a caudal y velocidad de filtración constantes se obtiene curvas como las siguientes: PÉRDIDA TURBIDEZ DE EN AGUA CARGA TRATADA [SS] Hmáx [SS]máx Ho TIEMPO Tmáx El punto óptimo de funcionamiento será aquel en que la pérdida de carga máxima coincida con la turbidez máxima. La carrera queda perfectamente limitada. Si se analizan las curvas de SS y H a lo largo del espesor (figuras siguientes) llegará un momento en que la superficie ya no puede ensuciarse más y se va transmitiendo sólidos en profundidad. A esto se denomina avance del frente de filtración. En un momento dado, empezarían a llegar hasta el fondo del lecho cantidades importantes de SS y la turbidez del efluente se incrementaría notablemente. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano P1 . situada sobre el falso fondo. Son normales fuertes pérdidas de carga localizadas en los 15 primeros centímetros del lecho.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil [SS] inicial [SS] H to t1 t2 Presión estática tn tn sin flujo Turbidez inicial t2 t1 to casi constante to t1t2 tn to Presiones AUMENTO EN LA X CONCENTRACIÓN FINAL DE SS negativas X Si se analiza la evolución de la pérdida de carga. originando un vacío parcial o presión negativa. Los granos chocan unos con otros y se favorece el despegue y arranque de la suciedad adherida. 3. Una capa o lecho filtrante.. las impurezas retenidas quedan bloqueadas en los primeros centímetros del lecho y crean pérdidas de carga locales muy fuertes. en donde se colocan las boquillas u orificios de drenaje y de inyección de agua y aire de lavado.ESTRUCTURA Y TIPOLOGÍA 3. Las partículas que habían quedado retenidas son puestas en suspensión y arrastradas por el agua de lavado. capaces de acortar el ciclo de filtración.ESTRUCTURA Un filtro está constituido por: Un depósito de hormigón abierto de 6 a 100 m2 de superficie. se debe recoger a través de canaletas o dispositivos especiales. que cuando es excesiva permite que se libere parte del aire disuelto en el agua formando bolsas que disminuyen el área efectiva y por lo tanto aumenta la velocidad de filtración. En ese caso..1. Estas presiones se producen cuando la pérdida de carga en las capas superiores llega a ser mayor que la altura de agua sobre la arena. . Se produce un auténtico sifonamiento del lecho granular. aunque sea la zona más sucia. al inicio del lavado en contracorriente puede escapar una masa de aire antes de que se rompa el conjunto de la superficie de la arena. Lo habitual es expandir el lecho de arena mediante un flujo ascendente de agua (a contracorriente). Adicionalmente. Por una razón u otra (turbidez o h máxima) habrá que proceder a limpiar todo el lecho filtrante. Ingeniería Ambiental . y esto permitirá que se produzca una alta velocidad local del agua de lavado con el posible desplazamiento del lecho. Podría suceder que se generen presiones negativas (P < Patm). la columna de agua inferior actúa como un tubo de aspiración. que ahora incorporaría todos los SS acumulados durante la carrera del filtro. no es suficiente una limpieza superficial. El agua de lavado. Un falso fondo de hormigón material cerámico o material plástico. Tejero/J.P2 I. Temprano . Jácome/J. Suárez/A. altura de lámina de agua y pérdida de carga. Bombas y llaves de paso y de protección. Ingeniería Ambiental . Batería de filtros en una ETAP I.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil Uno o varios canales de entrada de agua bruta. Condiciones de agua bruta. Nivel de agua filtrando Nivel de agua lavando Lecho filtrante Capa de grava Depósito de agua filtrada Canaleta de recogida Boquillas u orificios de agua de lavado Bomba para impulsión del agua de lavado En las plantas de tratamiento se colocan varias unidades de filtración. Suárez/A. Jácome/J. Uno o varios canales de recogida de agua de lavado. agua de lavado y agua filtrada. que faciliten una distribución homogénea del agua sobre el lecho filtrante. Los procesos de lavado se van alternando de forma que se optimice la explotación. Un canal de distribución asegura la llegada de agua bruta al filtro. Si el lavado está automatizado son necesarios cuadros de control y monitorización. Diversos aparatos de control y/o medida de caudal. Temprano P3 . dotados de vertederos o compuertas. Tejero/J. en algunos casos se pueden cubrir b) cerrados: suelen ser presurizados. Ingeniería Ambiental . El problema surge cuando hay que realizar el lavado. en el fondo del lecho. suelen ser de hormigón.TIPOLOGÍA DE FILTROS En función del criterio que se utilice. Tejero/J. Es importante mantener constante durante un lavado solo con agua el caudal de agua que se introduce. Suárez/A. Jácome/J.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil El porcentaje de expansión de la arena dependerá del tipo de lavado. que en el lavado con agua + aire. con el consiguiente incremento en el consumo energético y pérdidas de agua.. Al sifonar P4 I. Mientras. el caudal de agua puede variarse durante la operación de lavado.2. Si es solo con agua alcanza del 25 al 40 % del espesor del lecho. casi siempre se coloca arena silícea. Filtro en fase de lavado 3. Según el lecho: a) lecho monocapa: se utiliza un sólo material. El filtro se ensucia de forma global y de esta forma la carrera puede ser mayor. y por lo tanto. Las partículas más gruesas se van a quedar en superficie pero el resto del lecho va a retener de forma progresiva el resto de los tamaños. se utilizan materiales metálicos. Existen varias posibilidades en función del objetivo perseguido. se puede realizar diferentes clasificaciones de filtros: Según la fuerza impulsora para hacer pasar el agua por el filtro: a) filtros de gravedad b) filtros a presión Según la estructura: a) abiertos: el agua está a presión atmosférica. A mayor expansión mayor caudal de lavado. Temprano . se suele colocar una subcapa de grava b) filtro multicapa: consiste en disponer diferentes materiales en capas. Si lo que se busca es que el filtro se ensucie homogéneamente habrá que colocar capas de diferentes tamaños eficaces: en las superiores tallas efectivas mayores y en el fondo las menores. en los costes de explotación. Si se emplea agua + aire la expansión será máximo de un 15 %. sobre el falso fondo. que traería como consecuencia la resuspensión de las partículas que ya habían sido retenidas. Jácome/J. que es donde se puede haber acumulado más suciedad. arena y granate. Según la metodología de lavado: a) sólo con agua en flujo ascendente o descendente b) agua y aire. es necesario colocar sistemas de control y regulación de los filtros. aunque los resultados pueden ser mejores. La colocación de vertederos implica que debe controlarse el caudal principal en el canal previo. Tejero/J. fundamentalmente.CONTROL DEL PROCESO El objetivo del control del proceso es optimizar el funcionamiento y la explotación del filtro. Los tamaños más pequeños deben ser los de mayor densidad. que es por donde accede el agua bruta en este caso. 4.. y de la velocidad de filtración por tanto. Temprano P5 . Los citados anteriormente son sistemas que aseguran un caudal de entrada constante pero el nivel de agua sobre el filtro va a ser variable conforme se va ensuciando. ya que los tamaños gruesos son los que van a estar en el fondo del lecho. Por tanto. Si la velocidad permanece constante el proceso se desarrolla en equilibrio. hay que generar un flujo lo suficientemente intenso para que movilice los tamaños mayores. en flujo ascendente o descendente: el aire produce una gran turbulencia y fuerzas de tipo cortante que facilitan el desprendimiento de la suciedad. Al cesar el flujo los materiales pesados van a ser los que sedimenten primero y queden en las capas inferiores. Se debe evitar. pueden producir tal fenómeno. mediante lanzas de chorro de agua. Si la velocidad aumenta durante el ciclo de filtración comienza el arrastre de partículas que antes habían quedado retenidas e incluso puede descolocar y mover el lecho. Cuando el I. Según el flujo: a) de flujo descendente: es la tipología normal b) de flujo ascendente: esta modalidad tiene la ventaja de que se puede construir un filtro multicapa con un solo material. Existen diferentes estrategias y técnicas de control: a) Control de los caudales que acceden a cada filtro: El canal de distribución asegura la llegada de agua bruta al filtro. se puede introducir primero el aire y posteriormente el agua. la rotura del filtro. o hacerlo de forma conjunta c) lavado superficial: el lavado puede hacerse más intenso en superficie. En la entrada del filtro se pueden incorporar vertederos o sifones. Es necesario elegir materiales con diferentes densidades para que el filtro se reconstruya de la forma correcta. Si la velocidad decrece se disminuye la capacidad de tratamiento.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil todos los materiales. En este tipo de filtros se colocan materiales como: antracita. Otra forma de control de caudales es la utilización de bombas. El sifón permite introducir caudales constantes aunque varíen los niveles en el canal de distribución. Fuertes oscilaciones de caudal. Ingeniería Ambiental . Suárez/A. P6 I. Temprano . Cebado ó descebado del sifón h máxima Cuando el flotador baja por debajo de una cota el sifón se desceba y deja de sacar agua. Durante la carrera del filtro se mantiene una pérdida de carga máxima ficticia. Suárez/A. Tejero/J. El filtro cada vez produce más pérdida de carga. El caudal de salida sufre de esta forma sólo oscilaciones muy pequeñas. la arena se encuentra justamente cubierta de agua. Jácome/J. El sistema de control consiste básicamente en un flotador que está conectado a un elemento sifónico a la salida del filtro (ver figura siguiente). el nivel alcanza la cota del plano de agua de alimentación. cuyo nivel se mantiene a la cota del vertedero de salida de agua filtrada.50 a 2. la variación de nivel de agua a lo largo del ciclo es de 1. al ensuciarse. Ingeniería Ambiental . Cuando el atascamiento es máximo. pero el flujo se fuerza con el sistema de control. Sifón o vertedero Nivel variable Generalmente. comenzando a extraer agua ya filtrada.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil filtro está limpio. Este sistema es el más habitual. c) Caudal de salida constante: El control se basa en la conexión de una válvula automática a un sistema de medición de caudales. Cuando el nivel sube se cierra la entrada de aire al sifón y se ceba de nuevo.00 m según la granulometría del lecho filtrante. b) Caudal constante de entrada y nivel constante de filtración: El elemento de entrada es más sencillo al mantenerse siempre el mismo nivel en el interior del depósito durante la filtración. Una comunicación sencilla entre canal de distribución y el depósito del filtro permitiría una entrada de caudal constante. El nivel en el interior del depósito del filtro va a ser variable. También puede ser igual la cota de los vertederos de salida de agua ya tratada. el nivel del agua en el filtro tenderá a subir. 5. En la práctica. que es el de minimizar las oscilaciones y las velocidades de filtración elevadas que pueden causar afecciones al lecho. Suárez/A. Jácome/J. ya que los caudales mayores se aplican a los filtros limpios con lo que el riesgo de rotura del lecho es menor. Además. Tejero/J. El filtro que más suciedad tenga va ser el que menos caudal deje pasar. es poco probable que se produzcan oscilaciones.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil Nivel variable Q d) Sistemas de velocidad decreciente: Se basan en el ensuciamiento del filtro. El filtro más limpio de la batería recibe el mayor caudal. Temprano P7 .. I. puesto que el aumento de la pérdida de carga en el lecho es más rápido que el decrecimiento en el sistema colector. El caudal de entrada va a distribuirse de forma no homogénea.PARÁMETROS DE DISEÑO Es conveniente revisar previamente las líneas o aplicaciones generales de los sistemas de filtración. Si se alimenta de modo que se produzca una pérdida de carga despreciable en la entrada al filtro y se va disminuyendo el caudal aplicado. Los diseños del tipo de caudal decreciente son más lógicos. el incremento de la pérdida de carga en el lecho puede hacerse igual a la disminución de la pérdida de carga en el sistema colector y así la altura de filtración es la misma para toda la batería de filtros. puesto que la velocidad solamente puede aumentar si lo hace la carga sobre el filtro y ello requiere una cantidad apreciable de tiempo. Nivel constante Los diversos sistema de regulación y control tienen un objetivo común. Ingeniería Ambiental . 8 . DE UNIFORMIDAD 1.0.0 (0.Valores de diseño para el lavado de filtros rápidos a gravedad MÉTODO VELOCIDAD DE LAVADO TIEMPO DE LAVADO (m/h) (minutos) SÓLO AGUA 60 (50 .30) TAMAÑO EFECTIVO 0.30) 10 .PARÁMETROS DE DISEÑO SEGÚN EL TIPO DE FILTRO En la tabla siguiente se especifican las características del lecho y los parámetros de proceso que se deben cumplir en un filtro.6 (0. 5. + decantación + filtro rápido multicapa (2).70) 0.2) 1.. (4-15) < 10 lav. ("coagulación sobre el filtro"). Agua natural: SS > 40 .3 .200 ppm.80) 1-5 P8 I.60) (m/h) PÉRDIDA DE CARGA MÁXIMA 1.. La numeración entre paréntesis y negrilla se refiere a las referencias utilizadas en el apartado anterior. Posible coagul.. Tejero/J. Temprano .5 . Agua de piscinas: Posible filtro rápido de alta velocidad.2.2.50 . Jácome/J.1.(40 .8 (<2) 1.85 .80) COEF. (procesos con recirculación constante).1.1.5-1.(10 .45 . Tabla.15) 50 lav.5 mca 10 mca (m) * Las cifras que aparecen entre paréntesis se refieren a rangos de variación. + decantación + filtro rápido monocapa (1). Posible coagul. Agua natural: SS < 15 .5 .1.1.7 .50) 0.0 (0.0)* 0.12 AGUA + AIRE AIRE 50 (40 .8 (<2) VELOCIDAD DE FILTRACIÓN < 7.20 AGUA> 20 (12 .5 (0.25 .Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil 5..70) 15 .6-1.0. Ingeniería Ambiental .0. Posible coagulación más filtración rápida (1). Tabla.Valores recomendados para el diseño de filtros rápidos CARACTERÍSTICAS FILTRO (1) FILTRO (2) FILTRO (3) DEL LECHO (monocapa) (multicapa) (piscinas) MATERIAL Arena silícea Antracita Arena silícea Arena silícea ESPESOR 0.1.+ flocul.2) (m) 1. Posible filtración rápida directa (1).5 mca 1.+ flocul.7 (0. Suárez/A.1. Posible filtro a presión (3).40 ppm.5 .6 (0.5) (mm) 0.9 (0. Posible filtración lenta.3 (1.8 (<2) 1.5 lav.APLICACIONES En función del tipo de agua que se va a tratar se utiliza la filtración lenta o la rápida y se acompañan de otros procesos complementarios: Agua natural: SS < 15 ppm. ....... previa..M...... C. (1977)... Suárez/A. (1975). N a ⋅ Q m / d estando a entre 0... HERNÁNDEZ... previa..044 y 0. < 100% Máximo recorrido horizontal del agua de lavado hacia canaletas...A............Otros parámetros generales de diseño Expansión del lecho durante el lavado solo con agua: Arena . "Manual técnico del agua".... Jácome/J....... E7.. S... Méjico... cuarta edición.72 h) 3 Número de filtros ... "Tratamiento de aguas para abastecimiento público". "Control de calidad y tratamiento de agua". "Abastecimiento y distribución de agua".. < 3. G.... GOMELLA. < 1.......... ISBN 84-380-0034-7.....5% sin coagul....0% Carrera de filtro......9 metros Pérdidas de agua por lavado: con coagul.Explica en qué tipo de filtros y por qué se pueden dar presiones negativas. Ingeniería Ambiental .. American Water Works Association........ Sh entre 20 y 50 m2 .+flocul. Nueva York..... N 2 Superficie unitaria . H.Grado en Tecnologías de la Ingeniería Civil Tabla. CLARK..... D...... 2 vol.... Instituto de Estudios de la Administración Local.....¿Cual sería una línea de tratamiento adecuado para un agua con una concentración de sólidos en suspensión de 60 mg/L? E6.Cita los elementos necesarios para el lavado con agua + aire de un filtro de flujo descendente.. Madrid.Willey....+decant.....A... 0.Tipología de filtros en función del lavado del lecho.. 24 horas (12 h ... Colegio de Ing...¿Qué es la carrera de un filtro? E4.. Temprano P9 .Explica por qué se limita la distancia de recorrido hacia las canaletas de recogida de agua de lavado.. Tejero/J..+decant... J. < 130 m2 EJERCICIOS E1.... Canales y Puertos.¿En qué consiste la rotura de un filtro? E5...... 3º edición....... (1977). E3... Hasper international Edition.. Colección Seinor (nº 6)..+flocul.. A.......... DEGREMONT......C.. (1993).. OKUN.. < 50% Antracita .....051 ...... barcelona..... Editores Técnicos Asociados..... "water supply and pollution control"... FAIR. I.. ISBN 84-300-1651-1. GUERREE... (1979). J...... BIBLIOGRAFÍA AWWA.¿Qué tipo de problemas genera la existencia de presiones negativas en un lecho filtrante? E2. de Caminos.. Madrid.... (1971).. E8..... GEYER..... Editorial Limusa . "Ingeniería sanitaria y de aguas residuales".... . "Fundamentos de ccontrol de la calidad del agua". ISBN 84-291-7522-9... " Control de la calidad del agua. "Mathematical modeling for water pollution control processes". Su naturaleza. "Manual del agua. (1993). ISBN: 84-267-0740-8. Editorial Labor. tratamiento y aplicaciones". T. RIGOLA LAPEÑA. Suárez/A. WANIELISTA. Tratamiento. 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