Los filtros de arena se utilizan como paso en el proceso de purificación del agua .
Hay tres tipos principales; Filtros de arena rápidos (por gravedad) , filtros de arena de flujo ascendente y filtros de arena lentos . Los tres métodos se utilizan ampliamente en la industria del agua en todo el mundo. Los dos primeros requieren el uso de productos químicos floculantes para funcionar eficazmente, mientras que los filtros de arena lentos pueden producir agua de muy alta calidad con una eliminación de patógenos del 90% al >99% (dependiendo de las cepas), sabor y olor sin necesidad de ayudas químicas. [1] Los filtros de arena, además de utilizarse en plantas de tratamiento de agua, pueden utilizarse para la purificación del agua en hogares singulares, ya que utilizan materiales disponibles para la mayoría de las personas. [2]
La historia de las técnicas de separación se remonta a mucho tiempo atrás, ya que en la antigüedad ya se utilizaban materiales filtrantes. Se utilizaban juncos y plantas genistas para llenar recipientes cribadores que separaban materiales sólidos y líquidos. Los egipcios también utilizaban vasijas de arcilla porosa para filtrar el agua potable, el vino y otros líquidos. [3]
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Un filtro de lecho de arena es un tipo de filtro de profundidad . En términos generales, existen dos tipos de filtros para separar partículas sólidas de fluidos:
Además, existen dispositivos pasivos y activos para provocar la separación sólido-líquido como tanques decantadores , filtros de malla autolimpiantes, hidrociclones y centrífugas . [4]
Existen varios tipos de filtros de profundidad, algunos emplean material fibroso y otros emplean materiales granulares . Los filtros de lecho de arena son un ejemplo de filtro de profundidad de medios sueltos granulares. Generalmente se utilizan para separar pequeñas cantidades (<10 partes por millón o <10 g por metro cúbico) de sólidos finos (<100 micrómetros) de soluciones acuosas. [5] : 302–303 Además, generalmente se utilizan para purificar el fluido en lugar de capturar los sólidos como un material valioso. Por lo tanto, encuentran la mayoría de sus usos en el tratamiento de efluentes líquidos ( aguas residuales ).
Los filtros de lecho de arena funcionan brindando a las partículas sólidas muchas oportunidades para ser capturadas en la superficie de un grano de arena. A medida que el fluido fluye a través de la arena porosa a lo largo de una ruta tortuosa, las partículas se acercan a los granos de arena. Pueden ser capturados mediante uno de varios mecanismos:
Además, se puede evitar que las partículas sólidas sean capturadas por la repulsión de la carga superficial si la carga superficial de la arena es del mismo signo (positivo o negativo) que la de las partículas sólidas. Además, es posible desalojar las partículas capturadas aunque pueden volver a capturarse a mayor profundidad dentro del lecho. Finalmente, un grano de arena que ya está contaminado con partículas sólidas puede volverse más atractivo o repeler otras partículas sólidas. Esto puede ocurrir si al adherirse al grano de arena la partícula pierde carga superficial y se vuelve atractiva para partículas adicionales o lo contrario y la carga superficial se retiene repeliendo más partículas del grano de arena.
En algunas aplicaciones es necesario pretratar el efluente que fluye hacia un lecho de arena para garantizar que se puedan capturar las partículas sólidas. Esto se puede lograr mediante uno de varios métodos:
Pueden funcionar con fluidos que fluyen hacia arriba o con fluidos que fluyen hacia abajo, siendo este último mucho más habitual. Para dispositivos que fluyen hacia abajo, el fluido puede fluir bajo presión o solo por gravedad. Los filtros de lecho de arena a presión tienden a usarse en aplicaciones industriales y, a menudo, se denominan filtros de lecho de arena rápidos. Las unidades alimentadas por gravedad se utilizan en la purificación de agua, especialmente en agua potable, y estos filtros han encontrado un amplio uso en los países en desarrollo (filtros lentos de arena).
En general, existen varias categorías de filtros de lecho de arena:
El boceto ilustra la estructura general de un filtro de arena de presión rápida. La arena del filtro ocupa la mayor parte del espacio de la cámara. Se asienta sobre el fondo de una boquilla o encima de un sistema de drenaje que permite que salga el agua filtrada. El agua cruda pretratada ingresa a la cámara de filtrado en la parte superior, fluye a través del medio filtrante y el efluente se drena a través del sistema de drenaje en la parte inferior. Las grandes plantas de proceso también tienen implementado un sistema para distribuir uniformemente el agua cruda al filtro. Además, suele incluirse un sistema de distribución que controla el flujo de aire. Permite una distribución constante del aire y del agua y evita flujos de agua demasiado elevados en zonas específicas. Debido al frecuente lavado a contracorriente, se produce una distribución típica del grano. Los granos de menor diámetro dominan en la parte superior de la capa de arena mientras que los granos gruesos dominan en las partes inferiores.
Dos procesos que influyen en la funcionalidad de un filtro son la maduración y la regeneración.
Al comienzo de una nueva ejecución del filtro, la eficiencia del filtro aumenta simultáneamente con la cantidad de partículas capturadas en el medio. Este proceso se llama maduración por filtración. Durante la maduración del filtro, es posible que el efluente no cumpla con los criterios de calidad y deba reinyectarse en pasos anteriores de la planta. [6] Los métodos de regeneración permiten la reutilización del medio filtrante. Se eliminan los sólidos acumulados en el lecho filtrante. [6] Durante el retrolavado , el agua (y el aire) se bombean hacia atrás a través del sistema de filtro. El agua de retrolavado puede reinyectarse parcialmente antes del proceso de filtrado y las aguas residuales generadas deben desecharse. El tiempo de retrolavado está determinado por el valor de turbidez detrás del filtro, que no debe exceder un umbral establecido, o por la pérdida de carga a través del medio filtrante, que tampoco debe exceder un cierto valor.
Los granos de arena más pequeños proporcionan más superficie y, por lo tanto, una mayor descontaminación del agua de entrada, pero también requieren más energía de bombeo para impulsar el fluido a través del lecho. Un compromiso es que la mayoría de los filtros de lecho de arena de presión rápida utilizan granos en el rango de 0,6 a 1,2 mm, aunque para aplicaciones especializadas se pueden especificar otros tamaños. Las partículas de alimentación más grandes (>100 micrómetros) tenderán a bloquear los poros del lecho y lo convertirán en un filtro de superficie que se obstruirá rápidamente. Se pueden usar granos de arena más grandes para superar este problema, pero si hay cantidades significativas de sólidos grandes en la alimentación, es necesario eliminarlos aguas arriba del filtro de lecho de arena mediante un proceso como la sedimentación. [5] : 302–303
Se recomienda que la profundidad del lecho de arena sea de aproximadamente 0,6 a 1,8 m (2 a 6 pies), independientemente de la aplicación. Esto está vinculado al rendimiento máximo que se analiza a continuación. [5] : 302–303
Las directrices sobre el diseño de filtros rápidos de lecho de arena sugieren que deben funcionar con un caudal máximo de 9 m 3 /m 2 /h (220 gal EE.UU./pie 2 /h). [7] Utilizando el rendimiento requerido y el caudal máximo, se puede calcular el área requerida del lecho.
El último punto clave del diseño es asegurarse de que el fluido se distribuya adecuadamente a través del lecho y que no haya rutas de fluido preferidas donde la arena pueda ser eliminada y el filtro verse comprometido.
Los filtros de lecho de arena de presión rápida normalmente funcionan con una presión de alimentación de 2 a 5 bar(a) (28 a 70 psi(a)). La caída de presión a través de un lecho de arena limpio suele ser muy baja. Se acumula a medida que las partículas sólidas se capturan en la cama. Las partículas sólidas no se capturan de manera uniforme con la profundidad, sino que se capturan más en la parte superior del lecho y el gradiente de concentración decae exponencialmente. [5] : 302–303
Este tipo de filtro captura partículas de hasta tamaños muy pequeños y no tiene un tamaño de corte real por debajo del cual las partículas siempre pasarán. La forma de la curva de eficiencia del tamaño de las partículas del filtro es una forma de U con altas tasas de captura de partículas para las partículas más pequeñas y más grandes con una caída intermedia para las partículas de tamaño mediano. [7]
La acumulación de partículas sólidas provoca un aumento en la presión perdida a través del lecho para un caudal determinado. Para un lecho alimentado por gravedad, cuando la presión disponible es constante, el caudal disminuirá. Cuando la pérdida de presión o el flujo es inaceptable y el filtro ya no funciona eficazmente, se retrolava el lecho para eliminar las partículas acumuladas. En el caso de un filtro rápido de lecho de arena presurizado, esto ocurre cuando la caída de presión es de alrededor de 0,5 bar. El fluido de retrolavado se bombea hacia atrás a través del lecho hasta que se fluidiza y se expande hasta aproximadamente un 30% (los granos de arena comienzan a mezclarse y, a medida que se frotan, eliminan las partículas sólidas). Las partículas sólidas más pequeñas se eliminan con el fluido de retrolavado y generalmente se capturan en un tanque de sedimentación. El flujo de fluido requerido para fluidizar el lecho es típicamente de 3 a 10 m 3 /m 2 /h, pero no funciona por mucho tiempo (unos pocos minutos). [5] : 224–235 Se pueden perder pequeñas cantidades de arena en el proceso de retrolavado y es posible que sea necesario rellenar el lecho periódicamente.
Como indica el título, la velocidad de filtración cambia en el filtro de arena lento , sin embargo, la mayor diferencia entre el filtro de arena lento y rápido es que la capa superior de arena es biológicamente activa, ya que se introducen comunidades microbianas en el sistema. La profundidad recomendada y habitual del filtro es de 0,9 a 1,5 metros. La capa microbiana se forma entre 10 y 20 días después del inicio de la operación. Durante el proceso de filtración, el agua cruda puede filtrarse a través del medio poroso de arena, deteniendo y atrapando material orgánico, bacterias, virus y quistes como Giardia y Cryptosporidium . El procedimiento de regeneración de los filtros lentos de arena se llama raspado y se utiliza para eliminar mecánicamente las partículas secas del filtro. Sin embargo, este proceso también se puede realizar bajo el agua, dependiendo del sistema individual. Otro factor limitante para el agua a tratar es la turbidez , que para filtros lentos de arena se define en 10 NTU (Unidades Nefelométricas de Turbidez). Los filtros de arena lentos son una buena opción para operaciones de presupuesto limitado, ya que la filtración no utiliza productos químicos y requiere poca o ninguna asistencia mecánica. Sin embargo, debido al continuo crecimiento demográfico en las comunidades, los filtros de arena lentos se están reemplazando por filtros de arena rápidos, principalmente debido a la duración del período de funcionamiento.
El filtro de arena con retrolavado continuo o flujo ascendente es el régimen operativo más nuevo. La diferencia más clara respecto a los anteriores, es que el agua a filtrar se alimenta por la parte inferior y el agua filtrada se obtiene por la parte superior. Este flujo inverso permite integrar el proceso de retrolavado en el proceso de filtración, disminuyendo así la cantidad de agua de enjuague a utilizar y reduciendo el tiempo de limpieza. La carga máxima es de aproximadamente 5,4 lps/m2 con una pérdida de carga constante de 0,6 m. [8]
Los filtros que tienen diferentes capas filtrantes, se denominan filtros de lecho mixto o filtros multimedia. La arena es un material filtrante común, pero la antracita, el carbón activado granular (GAC), el granate y la ilmenita también son materiales filtrantes comunes. La antracita es un material más duro y menos volátil en comparación con otros carbones. La ilmenita y el granate son pesados en comparación con la arena. El granate se compone de varios minerales, lo que provoca un color rojo cambiante. La ilmenita es un óxido de hierro y titanio. GAC se puede utilizar en el proceso de adsorción y filtración al mismo tiempo. Estos materiales se pueden utilizar tanto solos como combinados con otros medios. Pero las capas filtrantes siempre estarán dispuestas por densidad, los compuestos más pesados se depositarán en la parte inferior, mientras que los más ligeros se ubicarán en la parte superior. Diferentes combinaciones dan una clasificación de filtro diferente y también una porosidad diferente en todo el filtro, lo que se traduce en una caída de presión diferente. Una disposición muy común de estos fileres está compuesta por: antracita arriba, arena y granate, con un soporte de grava abajo. La profundidad de estos filtros normalmente está entre 0,6-1 m, por encima de 1 m la caída de presión aumenta bruscamente y menos de 0,6 m reduce el espesor de cada capa filtrante, reduciendo así su eficiencia. El flujo operativo normal y la caída de presión están entre 3-7 gpm/ft2 y 3-7 psi. Cuando la caída de presión aumenta por encima de 10 psi, se necesita una operación de retrolavado, que consiste en invertir el flujo (el agua sube) para eliminar las partículas atrapadas en el medio filtrante, y estas saldrán por la parte superior del filtro con el retrolavado. agua. Lo común para el retrolavado es alrededor de 3 veces el flujo de filtrado normal (debe ser lo suficientemente alto como para levantar el medio filtrante y eliminar las partículas atrapadas en él). Monomedia es un filtro de una capa, comúnmente compuesto de arena y hoy en día es reemplazado por tecnología más nueva. El monomedio de lecho profundo también es un filtro de una capa que consta de antracita o GAC. El filtro monomedio de lecho profundo se utiliza cuando hay una calidad de agua constante y esto proporciona un tiempo de funcionamiento más prolongado. Los medios duales (dos capas) a menudo contienen una capa de arena en el fondo con una capa de antracita o GAC en la parte superior. Trimedia o técnica mixta es un filtro con tres capas. Las trimedia suelen tener granate o ilmenita en la capa inferior, arena en el medio y antracita en la superior.
Todos estos métodos se utilizan ampliamente en la industria del agua en todo el mundo. Los primeros tres de la lista anterior requieren el uso de productos químicos floculantes para funcionar de forma eficaz. Los filtros de arena lentos producen agua de alta calidad sin el uso de auxiliares químicos.
Al pasar agua floculada a través de un filtro de arena de gravedad rápida, se filtra el flóculo y las partículas atrapadas en su interior, lo que reduce la cantidad de bacterias y elimina la mayoría de los sólidos. El medio del filtro es arena de distintos grados. Cuando el sabor y el olor pueden ser un problema (impactos organolépticos), el filtro de arena puede incluir una capa de carbón activado para eliminar dichos sabores y olores.
Los filtros de arena se obstruyen con flóculos o se bioobstruyen después de un período de uso. Luego se raspan los filtros de arena lentos (ver arriba) mientras que los filtros de arena rápidos se lavan a contracorriente o a presión para eliminar el flóculo. Esta agua de retrolavado pasa a tanques de sedimentación para que el flóculo pueda sedimentarse y luego se elimina como material de desecho. A continuación, el agua sobrenadante se devuelve al proceso de tratamiento o se elimina como agua residual. En algunos países, el lodo se puede utilizar como acondicionador del suelo . El mantenimiento inadecuado de los filtros ha sido la causa de la contaminación ocasional del agua potable.
Ocasionalmente se utilizan filtros de arena en el tratamiento de aguas residuales como etapa de pulido final. En estos filtros, la arena atrapa el material residual suspendido y las bacterias y proporciona una matriz física para la descomposición bacteriana del material nitrogenado, incluidos el amoníaco y los nitratos , en gas nitrógeno .
Los filtros de arena son uno de los procesos de tratamiento más útiles ya que el proceso de filtración (especialmente con la filtración lenta de arena) combina en sí mismo muchas de las funciones de purificación. [9]
Una de las ventajas de los filtros de arena es que sirven para diferentes aplicaciones. Además, los diferentes tipos de modos de funcionamiento: rápido, lento y Upflow, permiten cierta flexibilidad para adaptar el método de filtración a las necesidades y requisitos de los usuarios. Los filtros de arena permiten una alta eficiencia en la eliminación de color y microorganismos, y al ser muy simples los costos de operación son muy bajos. Además, su sencillez facilita la automatización de los procesos, requiriendo así una menor intervención humana.
Las principales limitaciones de esta tecnología estarían relacionadas con la obstrucción, es decir, la obstrucción del medio filtrante, que requiere una importante cantidad de agua para realizar la operación de retrolavado y el uso de químicos en el pretratamiento. Además, los filtros de arena lentos suelen requerir superficies de terreno más grandes en comparación con los de flujo rápido, especialmente si el agua bruta está muy contaminada. Sin embargo, a pesar de estas limitaciones, ofrecen muchas más capacidades y es por eso que se utilizan ampliamente en la industria. [10] [11]
En el proceso de tratamiento del agua, se debe tener en cuenta ciertos factores que pueden causar problemas graves si no se tratan adecuadamente. Los procesos antes mencionados, como la maduración del filtro y el retrolavado, influyen no sólo en la calidad del agua sino también en el tiempo necesario para el tratamiento completo. El retrolavado reduce también el volumen del efluente. Si se debe entregar una cierta cantidad de agua, por ejemplo, a una comunidad, se debe considerar esta pérdida de agua. Además, los residuos del retrolavado deben tratarse o desecharse adecuadamente. Desde el punto de vista químico, las variaciones en las calidades del agua bruta y los cambios de temperatura afectan, ya a la entrada de la planta, la eficiencia del proceso de tratamiento.
Existe una incertidumbre considerable respecto de los modelos utilizados para construir filtros de arena. Esto se debe a suposiciones matemáticas que deben hacerse, como que todos los granos son esféricos. La forma esférica afecta la interpretación del tamaño ya que el diámetro es diferente para granos esféricos y no esféricos. El empaquetamiento de los granos dentro del lecho también depende de la forma de los granos. Esto luego afecta la porosidad y el flujo hidráulico. [6]
Los filtros de arena se utilizan en diversos sectores y procesos donde se requiere una eliminación profunda de materias en suspensión del agua o aguas residuales.
Los sectores donde se implementa la filtración de arena incluyen la producción de agua potable, piscinas, lavado de autos, tratamiento de aguas subterráneas, RWZI, mataderos, industria procesadora de frutas y verduras, bebidas, industria alimentaria, tratamiento de superficies de metales,…
Producción de agua de refrigeración, preparación de agua potable, prefiltración en tratamientos de carbón activo y sistemas de membranas y filtración de agua de piscinas.