Filtros En Ptap Y Ptar 1q5z1n

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión INTRODUCCION Las plantas de tratamiento son destinadas al saneamiento del agua e impedir que toda impureza corrompa su servicio en adecuadas condiciones. Dicho de otra manera la finalidad de estas operaciones es obtener unas aguas con las características adecuadas al uso que se les vaya a dar, por lo que la combinación y naturaleza exacta de los procesos varía en función tanto de las propiedades de las aguas de partida como de su destino final. Debido a que las mayores exigencias en lo referente a la calidad del agua se centran en su aplicación para el consumo humano y animal estos se organizan con

frecuencia

en tratamientos

de

potabilización y tratamientos

de

depuración de aguas residuales, aunque ambos comparten muchas operaciones. El filtro es una estructura fundamental para este propósito, recordando que la filtración es el proceso mediante el cual el agua es separada de la materia en suspensión haciéndola pasar a través de una sustancia porosa. En la práctica este material poroso es generalmente arena. Entre los filtros tenemos el: filtro lento de arena (sistema de tratamiento de agua más antiguo del mundo. Copia el proceso de purificación que se produce en la naturaleza cuando el agua de lluvia atraviesa los estratos de la corteza terrestre y forma los acuíferos o ríos subterráneos, el filtro rápido), el filtro rápido (en la que los microorganismos se almacenan en los intersticios del filtro hasta que se vierten nuevamente en la fuente por medio del retrolavado), el filtro biológico y el filtro percolador, material que pasaremos a explicar más a fondo en el presente trabajo.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCION...................................................................................................1 TABLA DE CONTENIDO.......................................................................................2 FILTRO...................................................................................................................3 TIPOS DE FILTRACION:.......................................................................................3 FILTRACIÓN LENTA..........................................................................................3 FILTRACIÓN LENTA DE ARENA (FLA).........................................................3 FILTRACIÓN RÁPIDA......................................................................................30 TIPOS DE FILTROS RÁPIDOS:.....................................................................32 FILTROS BIOLÓGICOS....................................................................................56 FILTROS PERCOLADORES.............................................................................69 CONCLUSIONES.................................................................................................81

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión FILTRO

DEFINICION: El filtro es un tratamiento secundario y es uno de los tantos procesos de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) que viene precediendo al pre-filtro y es el encargado al igual que sus mecanismos anteriores de brindar, como su propio nombre lo dice, un proceso de filtración a las aguas residuales servidas a una comunidad u otra entidad que tenga la necesidad de tratar sus aguas residuales. Los límites permisibles para la cantidad de coliformes contenidos en las aguas a tratar se verán con el avance de este capítulo dependiendo del tipo de filtración de la cual estemos hablando. A continuación le mostramos los tipos de filtración más usados en la actualidad.

TIPOS DE FILTRACION:

FILTRACIÓN LENTA

FILTRACION LENTA

FILTRACIÓN LENTA DE ARENA (FLA)

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión El tratamiento del agua en una unidad de FLA es el producto de un conjunto de mecanismos de naturaleza biológica y física, los cuales interactúan de manera compleja para mejorar la calidad microbiológica del agua. Consiste en un tanque con un lecho de arena fina, colocado sobre una capa de grava que constituye el soporte de la arena la cual, a su vez, se encuentra sobre un sistema de tuberías perforadas que recolectan el agua filtrada. El flujo es descendente, con una velocidad de filtración muy baja que puede ser controlada preferiblemente al ingreso del tanque. 1.1.

DESIFECCION EN LA FILTRACION LENTA

1.1.1.PROPIEDADES Y DESCRIPCIÓN DE LA DESINFECCIÓN MEDIANTE FILTRACIÓN LENTA. El filtro lento se caracteriza por ser un sistema sencillo, limpio y a la vez eficiente para el tratamiento de agua. Comparado con el filtro rápido, requiere de áreas más grandes para tratar el mismo caudal y, por lo tanto, tiene mayor costo inicial. Sin embargo, su simplicidad y bajo costo de operación y mantenimiento lo convierte en un sistema ideal para zonas rurales y pequeñas comunidades, teniendo en cuenta además que los costos por área de terreno son comparativamente menores en estas zonas. La filtración lenta, como se ha mencionado, es un proceso que se desarrolla en forma natural, sin la aplicación de ninguna sustancia química, pero requiere un buen diseño, así como una apropiada operación y cuidadoso mantenimiento para no afectar el mecanismo biológico del filtro ni reducir la eficiencia de remoción microbiológica. Huisman & Wood describieron en 1974 el método de desinfección por medio de la filtración lenta, como la circulación del agua cruda a baja velocidad a través de un manto poroso de arena. Durante el proceso, las impurezas entran en o con la superficie de las partículas del medio filtrante y son retenidas, desarrollándose adicionalmente procesos de degradación química y biológica que reducen la materia retenida a formas más simples, las cuales son llevadas en solución o permanecen como material inerte hasta un subsecuente retiro o limpieza. El agua cruda que ingresa a la unidad permanece sobre el medio filtrante tres a doce horas, dependiendo de las velocidades de filtración adoptadas. En ese tiempo, las partículas más pesadas que se encuentran en suspensión se sedimentan y las partículas más ligeras se pueden aglutinar, lo que facilita su remoción posterior. Durante el día, bajo la influencia de la luz

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión solar, se produce el crecimiento de algas, las cuales absorben bióxido de carbono, nitratos, fosfatos y otros nutrientes del agua para formar material celular y oxígeno. El oxígeno así formado se disuelve en el agua, entra en reacción química con las impurezas orgánicas y hace que éstas sean más asimilables por los microorganismos. En la superficie del medio filtrante se forma una capa constituida por material de origen orgánico, conocida con el nombre de “schmutzdecke” o “piel de filtro”, a través de la cual tiene que pasar el agua antes de llegar al propio medio filtrante. El schmutzdecke o capa biológica está formado principalmente por algas y otras numerosas formas de vida, como plankton, diatomeas, protozoarios, rotíferas y bacterias. La acción intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y degrada la materia orgánica contenida en el agua. Las algas muertas, así como las bacterias vivas del agua cruda son también consumidas en este proceso. Al mismo tiempo que se degradan los compuestos nitrogenados se oxigena el nitrógeno. También se remueve algo de color y una considerable proporción de partículas inertes en suspensión es retenida por cernido. Una vez que el agua pasa a través del schmutzdecke, entra al lecho filtrante y es forzada a atravesarlo en un proceso que normalmente toma varias horas y en el que se desarrollan diversos procesos físicos y biológicos que constituyen el proceso final de purificación. 1.1.2.MECANISMOS DE LA DESINFECCIÓN MEDIANTE FILTRACIÓN LENTA En el proceso de filtración lenta actúan varios fenómenos o mecanismos físicos similares a los de la filtración rápida previos al mecanismo biológico que desinfecta el agua, algunos de los cuales hemos mencionado líneas arriba. Estos mecanismos son muy importantes, dado que permiten la concentración y adherencia de las partículas orgánicas al lecho biológico para su biodegradación. A continuación se describe brevemente la función de cada uno de los mecanismos físicos o de remoción que se producen en la filtración lenta, así como el mecanismo biológico responsable de la desinfección. A) Mecanismos de transporte Esta etapa de remoción básicamente hidráulica ilustra los mecanismos mediante los cuales ocurre la colisión entre las partículas y los granos de arena. Estos mecanismos son: cernido, intercepción, sedimentación, difusión y flujo intersticial.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Cernido: En este mecanismo, las partículas de mayor tamaño que los intersticios del material filtrante son atrapadas y retenidas en la superficie del medio filtrante. Intercepción: Mediante este mecanismo las partículas pueden colisionar con los granos de arena. Sedimentación: Este mecanismo permite que las partículas sean atraídas por la fuerza de gravedad hacia los granos de arena, lo que provoca su colisión. Este fenómeno se incrementa apreciablemente por la acción de fuerzas electrostáticas y de atracción de masas. Difusión: Se produce cuando la trayectoria de la partícula es modificada por micro variaciones de energía térmica en el agua y los gases disueltos en ella, lo cual puede provocar su colisión con un grano de arena. Flujo intersticial: Este mecanismo se refiere a las colisiones entre partículas debido a la unión y bifurcación de líneas de flujo que devienen de la tortuosidad de los intersticios del medio filtrante. Este cambio continuo de dirección del flujo crea mayor oportunidad de colisión.

B) Mecanismo de adherencia Este mecanismo es el que permite remover las partículas que, mediante los mecanismos arriba descritos, han colisionado con los granos de arena del medio filtrante. La propiedad adherente de los granos de arena es proporcionada por la acción de fuerzas eléctricas, acciones químicas y atracción de masas así como por película biológica que crece sobre ellos, y en la que se produce la depredación de los microorganismos patógenos por

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión organismos de mayor tamaño tales como los protozoarios y rotíferas. C) Mecanismo biológicos de la desinfección Como se indicó anteriormente, la remoción total de partículas en este proceso se debe al efecto conjunto del mecanismo de adherencia y el mecanismo biológico. Es necesario que para que el filtro opere como un verdadero “sistema de desinfección” se haya producido un schmutzdecke vigoroso y en cantidad suficiente. Solo cuando se ha llegado a ese punto, el FLA podrá operar correctamente. Entonces se dice que el filtro (o el manto) “está maduro”. Al iniciarse el proceso, las bacterias depredadoras o benéficas transportadas por el agua utilizan como fuente de alimentación el depósito de materia orgánica y pueden multiplicarse en forma selectiva, lo que contribuye a la formación de la película biológica del filtro. Estas bacterias oxidan la materia orgánica para obtener la energía que necesitan para su metabolismo (desasimilación) y convierten parte de ésta en material necesario para su crecimiento (asimilación). Así, las sustancias y materia orgánica muerta se convierten en materia viva. Los productos de la desasimilación son llevados por el agua a profundidades mayores y son utilizados por otros organismos. El contenido bacteriológico está limitado por el contenido de materia orgánica en el agua cruda y es acompañado de un fenómeno de mortalidad concomitante, durante el cual se libera materia orgánica para ser utilizada por las bacterias de las capas más profundas y así sucesivamente. De este modo, la materia orgánica degradable presente en el agua cruda se descompone gradualmente en agua, dióxido de carbono y sales relativamente inocuas, como sulfatos, nitratos y fosfatos (proceso de mineralización), los cuales son descargados en el efluente de los filtros. 1.1.3.SUBPRODUCTOS DE LA DESINFECCIÓN MEDIANTE FILTRACIÓN LENTA Los subproductos del proceso de filtración lenta son sustancias naturales de degradación biológica sin ningún riesgo para la salud, ya que el proceso no requiere sustancias químicas que reaccionen con la materia disuelta en el agua. En tal sentido, los subproductos de la filtración lenta son dióxido de carbono y sales relativamente inocuas, como sulfatos, nitratos y fosfatos, además de un contenido bajo de oxígeno disuelto. Estas condiciones pueden ser revertidas con un proceso de aireación. 1.2.1.

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EQUIPOS E INFRAESTRUCTURA

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Dada la sencillez de la filtración lenta, solo se requiere un equipo de bombeo cuando es necesario elevar la carga hidráulica para que el agua llegue hasta el filtro. Por otro lado, la calidad del agua cruda determina el uso de otras instalaciones adicionales al filtro lento a fin de adecuar la calidad del agua cruda determina el uso de otras instalaciones adicionales al filtro lento a fin de adecuar la calidad del agua cruda a las condiciones de operación del filtro. a) CAJA DE FILTRACIÓN Y SU ESTRUCTURA DE ENTRADA: La caja del filtro posee un área superficial condicionada por el caudal a tratar, la velocidad de filtración y el número de filtros especificados para operar en paralelo. Se recomiendan áreas de filtración máxima por módulo de 100 m2 para facilitar las labores manuales de operación y mantenimiento el filtro. La estructura consta de un vertedor de excesos, canales o conductos para distribución, dispositivos para medición y control de flujo, cámara de entrada y ventana de al filtro propiamente dicho.

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b)

LECHO FILTRANTE: Una unidad de filtración lenta en arena consta generalmente de los siguientes elementos:

El medio filtrante debe estar compuesto por granos de arena duros y redondeados, libres de arcilla y materia orgánica. La arena no debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio. Para el lecho filtrante se recomienda la siguiente granulometría y espesor de capas

Criterios de Diseño

Altura de arena (m)  Inicial  Mínima Diámetro efectivo (mm)

Valores

1.00 0.50 0.15 - 0.35

Coeficiente de Uniformidad  

Aceptable Deseable

Altura del lecho de soporte, incluye drenaje (m)

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<3 1.8 – 2.0 0.1 – 0.3


La velocidad de filtración varía entre los 0.1 y 0.2 m/h dependiendo de la calidad del agua cruda. A mayor contaminación del agua afluente menor velocidad de filtración. La altura del agua sobre el lecho filtrante puede variar entre 1.0 y 1.50 m. c) SISTEMA DE DRENAJE, QUE INCLUYE LECHO DE SOPORTE Y CÁMARA DE SALIDA: El nivel mínimo del filtro se controla mediante el vertedero de salida, el cual se debe ubicar en el mismo nivel o 0.10 m. por encima de la superficie del lecho filtrante.

d) CAPA DE AGUA SOBRENADANTE: Se recomienda una altura de agua sobrenadante de 1.0 a 1.5 m. y un borde libre entre los 0.2 y 0.3 m. Criterios de selección de los procesos en función de la calidad de la fuente

ALTERNATIVA Filtro lento de arena FLA + prefiltro de grava (PG) FLA + PG + sedimentador (S)

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Límites de calidad del agua cruda 90% del 80% del Esporádica To ≤ To ≤ To max ≤ 50 UNT 20 100 UNT Co ≤ UNT Co≤≤60 To50 ≤ UC 100 To To max ≤ UNT UNT 150 UNT Co ≤ Co ≤ 40 UC 60 UC To ≤ To ≤ To max ≤ 300 UNT 200 500 UNT Co ≤ 60 UNT Co UC ≤ 40

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión FLA + Co =PG +Color S del agua cruda Cf =

Coliformes fecales

To ≤ To UC UNT

To ≤ = = =

To max ≤ 1000

Turbiedad del agua cruda Unidades de color cloro platinado de cobalto Unidades nefelométricas de turbiedad

El parámetro de diseño más importante en un FLA es la velocidad de f filtración (V ). La misma debe tener un valor en el rango: 0,1 m3/m2 hora - 0,3 m3/m2 hora Se debe notar que [m3/m2 hora] = [m/hora] Otros parámetros de diseño importantes en relación con el material filtrante son: Lecho de soporte: Camada Superior Segunda Tercera Inferior

Tip o Arena gruesa Gravilla fina Gravill a Grav a

Diámetro de 122551010 25

Espesor de la camada 50 50 50 15 0

Medio filtrante: Tamaño efectivo, d10 Coeficiente de Altura del medio

0,15 – 0,45 mm 1,5 – 0,5 – 0,7 m

Cuando el filtro lento es la única unidad de tratamiento, la velocidad será de 0,10 m/h. Se podrán considerar velocidades mayores en casos excepcionales cuando se consideren otros procesos preliminares, como se observa en el cuadro siguiente. Velocidad de filtración de acuerdo con el número de procesos preliminares Procesos FLA Sedimentación (S) + FLA Prefiltración (PF) + FLA S + PF + FLA

0,10 0,15 0,15 0,30

– – – –

0,20 0,30 0,30 0,50

Vf

La velocidad de diseño también es importante al decidir el número de unidades con las que operará el filtro. Con velocidades mayores de 0,2 m/h deberá

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión considerarse un mínimo de tres unidades. El área de cada unidad (As) es una función de la velocidad de filtración (Vf), del caudal (Q), del número de turnos de operación (C) y del número de unidades (N). As = (Q x C) / (N x Vf) Con operación continua el área de la unidad (en m2) será igual a: As = Q/ (N x Vf) Los filtros lentos de arena pueden adoptar ser rectangulares o circulares, dependiendo del material con el que se elaboran: hormigón, ferrocemento o mampostería. La figura muestra un filtro lento modificado rectangular de hormigón.

1.2.2. CONJUNTO BÁSICOS DE UN FILTRO LENTO DE ARENA (FLA) CON CONTROL A LA ENTRADA:  Válvula para controlar entrada de agua pre tratada y regular velocidad de filtración  Dispositivo para drenar capa de agua sobrenadante, “cuello de ganso”.  Conexión para llenar lecho filtrante con agua limpia  Válvula para drenar lecho filtrante  Válvula para desechar agua tratada  Válvula para suministrar agua tratada al depósito de agua limpia  Vertedero de entrada  Indicador calibrado de flujo  Vertedero de salida

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión   

Vertedero de excesos Cámara de entrada a FLA Ventana de a FLA

1.2.3. CONSIDERACIONES DE FILTRO LENTO DE ARENA (FLA):   

 

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Las cámaras de filtración pueden ser construidas de hormigón reforzado, ferro cemento, concreto ciclópeo o mampostería estructural. Verificar la instalación de juntas de construcción y/o dilatación con base a planos y/o especificaciones técnicas. El medio filtrante no debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio para evitar que se produzcan cavitaciones al ser atacados estos elementos por aguas con alto contenido de dióxido de carbono. El contenido de lodo en la arena no debe ser mayor al 1% en volumen antes de instalarse en el filtro. La solubilidad de la arena en ácido clorhídrico no debe exceder el 5% después de 30 minutos de iniciada la prueba. La grava de la capa soporte no debe perder más del 5% de su peso al sumergirla por 24 horas en ácido clorhídrico.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión El sistema de drenaje puede tener diversas configuraciones: drenes principales y laterales construidos de tuberías perforadas, bloques o ladrillos de concreto o arcilla cocida, losas prefabricadas de hormigón sobre vigas de hormigón, etc. De manera que se asegure un flujo uniforme del agua a través del medio filtrante. El sistema de drenes está cubierto por capas de grava.  Si los drenajes son de ladrillo, estos deberán asentarse con mortero cuando los filtros estén localizados en zonas sísmicas; en caso contrario simplemente se acomodan formando canales.  Considerar un ingreso adicional por el fondo de la unidad, para efectuar el llenado del filtro. Esto se consigue interconectando las unidades en la cámara de salida.  Considerar instalaciones adicionales como: - Una plataforma (losa o terraza) colindante con los filtros, que facilite la operación de limpieza del filtro y el lavado de arena. - Un sistema similar para sacar o meter la arena al filtro. - Un sistema para recuperar la arena que se ha retirado de los filtros. 1.2.4. DIMENSIONAMIENTO DE FILTRO LENTO DE ARENA (FLA): a) Caudal de diseño (Qd): Se expresa en (m3/h) b) Número de unidades (N): Mínimo dos unidades de filtración c) Área superficial (As): 

( As)=

Área superficial

Qd Nx V f

Dónde:

As = m2 Vf = velocidad de filtración (m/h) Qd = caudal de diseño (m3/h) N = número de unidades d) Coeficiente de mínimo costo (K): K = (2*N)/(N+1) e) Longitud de unidad: L = (As x K)1/2 f) Ancho de unidad: b = (As/K)1/2 g) Velocidad de filtración real (VR): VR = Qd/ (2 x A x B) h) Sistema de drenaje:

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Los drenes se diseñarán con el criterio de que la velocidad límite en cualquier punto de estos no sobrepase de 0.30 m/s. La relación de velocidades entre el dren principal (Vp) y los drenes secundarios (Vs) debe ser de: Vp/Vs < 0.15, para obtener una colección uniforme del agua filtrada. i) Pérdida de Carga: Se producen pérdidas de carga en las tuberías, en las válvulas, lecho filtrante, drenes y vertederos.  

Lecho filtrante: Esta en función de la granulometría del material, velocidad de filtración. Drenes: (menor a 10%) hd = 0.33 l 1/dh .V2/2g Donde,



dh: diámetro hidráulico V: velocidad del dren, (dh= 4Ad/P) Ad: área del dren P: perímetro del dren

Compuerta de entrada: hf1 = K V2 / 2g Donde,



;

V = VF Af / AC

AC : área de la compuerta (m2) Af : área de filtración (m2) VF: velocidad de filtración (m/s)

Vertedero de salida: Hf2 =Qd2 /3/1.84 Lv

Donde,

Lv: longitud de cresta del vertedero genera (m)

Qd: caudal de diseño (m3/h)

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Criterio

Valores

Características Generales    

Velocidad de filtración (m/h) Caudal (l/s) Área superficial (m2) Número de unidades en paralelo

0.15 2.0 48 2

Dimensiones por unidad   

Largo (m) Ancho (m) Altura total (m)

5.7 4.2 1.80

Lecho filtrante   7.3.4

1.2.5.



Material Arena Longitud total (m). Incluye lecho de 1.05 soporte. Cu = 3.0 Diámetro (mm) d10 = 0.20

Resumen de Valores

de Diseño de Filtración Lenta (FLA) 7.3.5 DISPOSITIVOS DE REGULACION DE FILTRO

Normalmente se utilizan los siguientes: -

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Entrada de agua cruda al reservorio de agua sobrenadante hasta un nivel constante dentro del tanque del filtro. Eliminación del exceso de agua y la nata por medio de un vertedero de derrame de rebose. Drenaje del agua sobrenadante antes de efectuar la limpieza del filtro. Drenaje de agua en la capa superior del lecho filtrante. Medida del caudal del agua efluente por medio de un dispositivo de calibración de medición de caudal. Regulación de la velocidad de filtración. Ingreso de agua limpia para llenar de forma ascendente el lecho filtrante después de efectuar la limpieza del filtro Dispositivo de prevención del agua tratada al tanque de almacenamiento de agua tratada, o al desagüe.

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1.2.6.

REQUERIMIENTOS PARA LA INSTALACIÓN Para la instalación de la planta deben considerarse los siguientes aspectos: a. Ubicación Debe estar en una zona accesible, con vías de comunicación que faciliten su posterior construcción, operación y mantenimiento. El agua subterránea debe estar ausente o muy profunda. La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturales o humanos. De preferencia, la topografía de la zona seleccionada debe reunir los desniveles necesarios para que el sistema pueda operar totalmente por gravedad. b. Aspectos relacionados con la comunidad Efectuar estudios sociológicos para determinar las costumbres y creencias que puedan afectar la aceptación del sistema. Comprobar la información demográfica disponible. Determinar los recursos humanos y materiales disponibles para adecuar el diseño del sistema. Estudiar la incidencia de enfermedades de origen hídrico y presencia de vectores. c. Concepción del sistema Para que la operación del sistema sea confiable, debe evitarse el uso de dispositivos para elevar el nivel del agua (bombas). De esta manera, la operación del sistema no dependerá del suministro de energía eléctrica ni de repuestos sofisticados que normalmente no están disponibles localmente y que incrementan el costo de mantenimiento del sistema. Si tuviera que elevarse el nivel del agua por razones topográficas, se debería efectuar una sola etapa de bombeo que eleve el agua cruda hasta un nivel, desde el cual pueda distribuirse por gravedad al reservorio y a la red. Preferentemente, el filtro lento debe operar en forma continua, esto permite unidades más pequeñas y abastecimiento continuo de nutrientes y oxígeno necesarios para mantener la capa biológica. Para garantizar esta situación, cuando se tiene una etapa de bombeo, es recomendable construir un tanque de almacenamiento de agua cruda para abastecer por gravedad la planta durante las 24 horas del día. d. Condiciones del agua cruda

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Las


condiciones del agua cruda que más afectan la eficiencia del filtro son la temperatura, la concentración de nutrientes y de sustancias tóxicas y los afluentes con turbiedad y color altos. A continuación se describe n brevemente: 

Temperatura: Dado que en el filtro se desarrolla un proceso biológico, se ve afectado por las variaciones de temperatura y puede reducir 50% de su eficiencia cuando se opera a menos de 5°C.



Concentración de nutrientes: La velocidad de desarrollo de la formación biológica en el filtro depende de la concentración de nutrientes en el agua, debido a que ésta es la fuente de alimentación de los microorganismos.



Concentración de algas: Las algas son importantes en la formación del schmutzdecke. Pero su crecimiento excesivo debido a la elevada disponibilidad de luz y nutrientes, como presencia de fosfatos y nitratos en el agua, puede crear serios problemas de operación y en la calidad de agua tratada. El control de la formación de algas es difícil, pero puede solucionarse mediante el control de nutrientes en la fuente y del efecto de la luz que cubre los reservorios de agua cruda.



Concentraciones altas de turbiedad: La capacidad de los filtros lentos para reducir la turbiedad cuando ésta es muy elevada es limitada. Ello se debe a que una alta turbiedad causa enlodamiento de la superficie del filtro, disminuye la capacidad de formación de la capa biológica y reduce drásticamente la duración de la carrera de filtración, lo cual además de afectar la calidad del agua producida, incrementa los costos de operación y mantenimiento.

e. Material filtrante Es necesario considerar una plataforma colindante con los filtros para efectuar la operación de lavado y secado de la arena. Asimismo, se requiere un depósito techado para guardar la arena embolsada y las herramientas, y cercar las instalaciones de la planta para evitar el a niños y animales.

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Universidad nacional José Faustino 1.2.7. Sanchez Carrión Operación y mantenimiento Las tareas rutinarias de operación comprenden los ajustes y medición del caudal; monitoreo de la calidad del agua producida; limpieza de la superficie de la arena, que se efectúa por “rascado” de la porción superior del filtro (aproximadamente 5 cm de arena); lavado y almacenamiento de la arena, y la posterior reconstrucción del lecho filtrante. Este periodo entre limpiezas, llamado “carrera”, es variable. A veces puede ser necesario realizarla cada tres o cuatro semanas y en otras circunstancias, pasados muchos meses. La adecuada operación y mantenimiento determinan la eficiencia del filtro, principalmente en la etapa de puesta en marcha o inicio de la operación del filtro nuevo. Durante la operación normal, es importante el estado de maduración de la capa biológica, la frecuencia de los raspados, el período de duración de cada operación de limpieza y la forma en que se efectúe el rearenado del filtro. Con relación a la puesta en marcha, es necesario tener presente que la arena nueva no reduce la contaminación bacteriológica y que es necesario desechar el efluente inicial hasta comprobar que se está obteniendo un grado de eficiencia aceptable. Sin embargo, este proceso puede acelerarse sembrando el filtro con arena madura proveniente de otros filtros en operación. El raspado del lecho filtrante debe iniciarse cuando el nivel del agua en la caja del filtro llega al máximo y el agua empieza a rebosar por el aliviadero. Para disminuir el impacto sobre la eficiencia del tratamiento durante la operación de raspado del filtro, es necesario que esta operación se ejecute en un solo día para evitar la mortandad de los microorganismos benéficos en la capa de arena que permanecerá en el filtro y acortar el período de remaduración. En la operación de rearenado, esto es, cuando la altura del lecho ha llegado al mínimo aceptable (0,30 m) y hay que restituir a la arena el espesor de diseño, es importante aplicar el método de trinchera. Para ello, la arena del fondo que está semicolmatada se colocará en la superficie del filtro, sobre la arena nueva, a fin de acelerar el período de maduración del lecho de arena. Por lo menos cada cinco años se realizará el lavado completo del filtro de la siguiente manera: se retira con mucho cuidado la arena y la grava para no mezclarlas; se lava la arena; se cepillan las paredes de la caja del filtro; se reacomoda el drenaje, y se vuelve a colocar el lecho de arena y la grava. Si ha habido pérdida de arena y grava, será necesario reponerla. Si hay grietas en las paredes o en el fondo, deberán resanarse antes de colocar el lecho filtrante.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Cuando los sistemas están bien diseñados, operados y mantenidos, el efluente de las plantas de filtración lenta requiere de dosis muy bajas de cloro como última barrera; prácticamente sólo para asegurar que el agua conserve su calidad bacteriológica hasta ser consumida. Es un agua con muy bajo riesgo sanitario. 1.2.8.

CRITERIOS PARA EL MONITOREO Y EVALUACIÓN

La turbiedad y la contaminación bacteriológica del agua son los principales parámetros para la caracterización del agua superficial en las áreas rurales. Cuando el tratamiento se combina con un prefiltro o sedimentador, el objetivo específico de estas unidades es reducir la turbiedad, mientras que el del filtro lento es reducir la contaminación. Cuando sólo se cuenta con un filtro lento, éste debe cumplir los dos objetivos. Un programa de monitoreo mínimo para controlar una planta de filtros lentos debería considerar la toma de muestras de agua cruda y tratada para constatar la calidad de la materia prima que está ingresando al sistema y la del producto final obtenido. Las mediciones de turbiedad son simples y pueden ser efectuadas por un operador capacitado. Las mediciones diarias durante la época de lluvias permiten: a) Evaluar la calidad del agua cruda. b) Establecer y supervisar el rendimiento de la planta. c) Desarrollar criterios para adecuar la operación de la planta. d) Optimizar las características de las unidades. 1.2.9.

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FILTRACIÓN LENTA

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión 1.2.10. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN FILTRO LENTO Para la instalación de la planta deben considerarse los siguientes aspectos: -

Escoger la zona de mejor , con vías de comunicación que faciliten su posterior construcción, operación y mantenimiento. El agua subterránea debe estar ausente o muy profunda. La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturales o humanos. De preferencia, la topografía de la zona seleccionada debe reunir los desniveles necesarios para que el sistema pueda operar totalmente por GRAVEDAD.

CONSIDERACIONES ESPECÍFICAS a) Periodo de diseño: Se recomienda un período de diseño de las instalaciones entre 8 y 12 años de manera que guarde armonía con la dinámica de crecimiento de la población y con el costo de oportunidad de a la financiación del proyecto. b) Periodo de operación: Las unidades de tratamiento deben ser diseñados para periodos de operación de 24 horas, siendo 2 el número mínimo de unidades en paralelo y así alternarlas cada vez que se requiera realizar mantenimiento. La continuidad en la prestación del servicio evita riesgos de contaminación en la distribución, en almacenamientos inadecuados o en la operación de la planta. c) Caudal de diseño: Las unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal máximo diario. RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO POR CADA COMPONENTE DEL FILTRO LENTO Medio filtrante -

Debe estar compuesta de granos de arena duros y redondeados, de preferencia, libres de arcilla y materia orgánica.

-

La arena debe lavarse, procediendo también con la eliminación de los granos más finos disminuyendo así el coeficiente de uniformidad y elevando el diámetro promedio de los granos de arena

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión -

No debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio para evitar que se produzca cavitaciones en el medio filtrante. porosidad. Lo cual es diseñar con un rango de 1.8 a 2.0 normalmente se usa 1.5, por problemas económicos.

Capa de soporte -

Constituida por gravas con especificaciones similares a las aplicadas al medio filtrante. Las piedras deben ser duras y redondeadas, con un peso específico de lo menos 2.5, libre de arena y limo y materia orgánica. De ser posible, debe lavarse para asegurar su limpieza. No se debe perder más del 5% de su peso.

-

Su función es evitar que se pierda el material a través del drenaje y asegurar así una abstracción uniforme del agua filtrada.

-

La capa de grava debe diseñarse teniendo en cuenta dos valores limites; el tamaño de los granos de arena en o con esta para decidir el diámetro de la grava más fina, y las características del drenaje para seleccionar el tamaño de la grava más gruesa

GRANULOMETRIA DE LA CAPA DE SOPORTE CAPAS DIAMETROS (mm) ALTURA(cm) Mínimo Máximos 0.50 1 1.50 - 4.0 5 2.0 2 2.0 - 2.5 4.0 - 15.0 5 5.0 10.0 3 10 20.0 40.0 Drenaje -

La recolección del agua filtrada se efectúa mediante el sistema de drenaje, el cual puede estar conformado por drenes, o por ladrillos de construcción

-

Los tubos de drenaje están compuestos por drenes principales y de ramificaciones o drenes laterales a partir de la salida de agua filtrada.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión -

Los drenes laterales se unirán al principal mediante tees o cruces, y podrán ser de concreto, cerámico o PVC.

-

Los drenes laterales se instalaran, dejando juntas abiertas de 2cm, o se harán orificios de 2 a 4 mm de diámetro, separados entre .10 a .30 m y dispuestos en la parte inferior de los drenes .

-

La separación entre los drenes laterales seria de 1/16 de su longitud o como máximo de 2.5m. con respecto a la pared, se considerara una separación de 1/32 de su longitud o como máximo de 1.25m.

-

El dimensionamiento de los drenes se efectuara con la velocidad limite en cualquier punto de estos no sobrepase de .30m/s

Cajas de filtro -

As=

La superficie de la caja está en función de la velocidad de filtración (Vf),del canal (Q),del número de horas de funcionamiento continuo de la unidad (turnos) y del número de unidades (N)

Q x C1 N xVf VALORES DEL COEFICIENTE C1 TURNOS C1 1 3 2 1.5 3 1

1.2.11.

FORMULAS UTILIZADAS EN EL DISEÑO DEL FILTRO LENTO

DIMENSIONES DEL FILTRO Largo del Filtro

B=√ As x K

A √ As /K NUMERO DE UNIDADES DEL FILTRO

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Ancho del filtro

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión k=

2N N +1

-

-

-

Idealmente, el diámetro efectivo de la arena (d10) debe ser lo suficiente pequeño para asegurar un efluente de buena calidad y para prevenir que la materia orgánica penetre a tal profundidad que no sea posible retirarla mediante el raspado de la superficie. Experimentalmente se ha encontrado un diámetro efectivo es del orden de .15 - .35 mm Se recomienda un diámetro efectivo mínimo de .10 mm para tratar aguas claras con alto contenido bacteriológico. para aguas muy turbias, en cambios se recomienda un diámetro de .40 mm El espesor del lecho filtrante ideal debe ser determinado en cada caso. Sin embargo existen espesores mínimos para garantizar su funcionamiento que es el orden de .70m y teniendo en cuenta que en 5 años se retirara .50m de arena mediante el raspado sucesivo, se recomienda una altura de 1.2 a 1.4 m.

Se recomienda un coeficiente de uniformidad de (CU) menor de 3, para que los poros sean bastantes regulares que aseguren una buena filtración. SIENDO: A = Ancho del filtro en (m) As = Área de filtración (m2) B = Longitud del filtro (m) C1 = Coeficiente dependiente de los periodos operacionales del filtro. Q = Caudal de diseño (m3/h) N = Numero de filtro Vf = Velocidad de filtración (m/h) Tener en consideración de que la velocidad máxima de filtración debe ser .10 m/h VELOCIDAD DE FILTRACION PROCESOS Vf (m/h) Filtración lenta 0.10 - 0.20 Sedimentación o Pre filtración + 0.15 - 0.30 filtración lenta sedimentación + Prefiltracion + 0.30 - 0.50

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión filtración lenta

EJEMPLO DE APLICACIÓN Calculo de un filtro lento modificado para un caudal de 1.0 l/s o 3.6 m3/h. los análisis de calidad de agua efectuados dan los siguientes resultados: Turbiedad promedio en época de lluvia

= 55 UT

Turbiedad máxima (picos de 3 horas)

= 80 UT

Turbiedad mínima promedio en épocas seca

= 12 UT

Análisis granulométrico del banco de arena más cercano arrojó los siguientes resultados: Tamaño efectivo = 0.35 mm Coeficiente de uniformidad

= 2.00

1. Adoptando un número de unidades (N) de 2 y un turno de operación diaria (C1=24/8=3) La superficie de filtración (As)

As=

Q x C1 N xVf

Reemplazo valores obtenidos:

As=

3.6 x 3 2 =54 m 2 x .10

2. Dimensionamiento de la sección:

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Si N = 2, K será igual a:

K=

2N 2x 2 = =1.33 N +1 2+1

El largo (B) de la unidad será igual a:

B=√ As x K Luego:

B=√ 54 x (1.33)=8.47 m El largo (A) de la unidad será igual a:

A= √ As/ K Luego:

A= √54 /(1.33)=6.37 m La capa soporte de la grava la seleccionamos del cuadro, para las características de arena disponible d10=0.35 mm y CU = 2.0 la grava seleccionada es la siguiente: GRANULOMETRIA DE LA CAPA DE SOPORTE CAPA DIAMETROS (mm) ALTURA(cm) S Mínimo Máximos 1 0.50 1.50 5 2.0 4.0 2 2.0 4.0 5 2.5 15.0 3 5.0 10.0 10 20.0 40.0 Las dimensiones se han seleccionado del cuadro 4.5 y aparecen estandarizadas en el diseño de las figuras: 4.9, 4.10 ,4.11 y 4.12

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión CRITERIOS DE DISEÑO DE FILTRO LENTO PARAMETROS VALORES SIMBOLO S Velocidad de Filtración 0.10 Vf 0.20 Arena Máxima de la 10 - 100 QxC1/Vf Unidad Numero mínimo de 2 N unidades borde libre 0.20 H1 0.30 Capa de agua 1.0 - 1.5 H2 Altura del lecho Filtrante 1.20 H3 1.40 Granulometría del lecho 0.15 d10 0.35 1.80 2.0 Altura de capa de 0.20 H4 soporte 0.30 Granulometría de la Grava Altura del drenaje 0.30 H5 0.50

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PLANTA

CORTE

DETALLE DE CAMARA DE INGRESO Y ALIVIO 

DETALLE DE ESTRUCTURA DE SALIDA Y CONTROL.

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión FILTRACIÓN RÁPIDA

FILTRACION RAPIDA

1.1. INTRODUCCIÓN: Como se explicó en el capítulos anterior sobre los filtros lentos de arena, la filtración es el proceso mediante el cual se purifica el agua haciéndola pasar a través de un material el cual se purifica el agua haciéndola pasar a través de un material poroso (o “medio”). Para la filtración rápida comúnmente se usa la arena como el medio del filtro* pero el proceso es bastante diferente a la filtración lenta en arena. Esto es debido a que se usa arena más gruesa con un tamaño efectivo de grano en la escala de 0.4-1.2 mm y el ritmo de filtración es más elevado, generalmente entre 5 y 15 m3/m2/hora (120-360 m3/m2/día). Debido a la arena gruesa usada, los poros del lecho del filtro serán relativamente grandes y las impurezas contenidas en el agua cruda penetraran al fondo en el lecho de filtro. Por esto, la capacidad del lecho del filtro para almacenar impurezas depositadas, es usada en forma mucha más efectiva y se puede tratar hasta agua de rio muy turbia con la filtración rápida. Para limpiar un lecho de filtro rápido, no es suficiente raspara la capa superior. La limpieza de los filtros rápidos se realiza mediante el lavado por corriente de agua limpia. Eso se hace dirigiendo un flujo elevado de agua a través del lecho del filtro desde donde se expande y se arrastra. El lavado por corriente de agua limpia saca fuera del filtro los atoros depositados. La limpieza de un filtro rápido se puede realizar en poco tiempo, no es necesario ni siquiera media hora aproximadamente. Se le puede hacer con la frecuencia requerida, si fuera necesario todos los días. 1.2. APLICACIONES DE LA FILTRACIÓN RÁPIDA: Hay varias aplicaciones diferentes de la filtración rápida en el tratamiento de agua para abastecimientos de agua de bebida. En el tratamiento del agua subterránea, se usa la filtración rápida para remover el hierro y el manganeso. Para ayudar al proceso de filtración, frecuentemente se provee la aeración como pre tratamiento para formar compuestos insolubles de hierro y manganeso (figura 1.2).

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FIGURA 1.1: FILTRO RÁPIDO (ABIERTO, TIPO

FIGURA 1.2: FILTRO RÁPIDO DE AGUA PRETRATADA

Para agua de turbiedad baja como la que se halla frecuentemente en lagos y algunas veces en rio, la filtración rápida debe ser capaz de producir agua clara, la cual, sin embargo, puede contener aun bacterias patógenas y virus. Entonces es necesario un tratamiento final, tal como la clorinacion,para obtener agua bacteriológicamente segura.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión En el tratamiento de agua de rio con turbiedad elevada, se puede usar la filtración rápida como pre tratamiento para reducir la carga en los filtros lentos de arena siguientes (figura 1.3) o se le puede aplicar para el tratamiento de agua que ha sido clarificada mediante coagulación, floculación y sedimentación (figura 1.4).En tales casos se requiere nuevamente una clorinación final.

FIGURA 1.3: FILTRO RÁPIDA SEGUIDA DE FILTRACIÓN LENTA EN ARENA

FIGURA 1.4: FILTRACIÓN RÁPIDA DESPUÉS DE LA COAGULACIÓN, FLOCULACIÓN Y SEDIMENTACIÓN

TIPOS DE FILTROS RÁPIDOS: Los filtros rápidos se construyen en su mayoría al descubierto pasando el agua al lecho del filtro mediante gravedad (figura 1.1).

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Para ciertas condiciones de operación, son más apropiados otros filtros rápidos que no sean del tipo de gravedad. Los más importantes son: filtros de presión, filtros de flujo ascendente y filtros de medios múltiples. 1.2.1.FILTROS DE PRESION: (FIG. 1.5) Son de construcción similar a los filtros del tipo gravedad, pero el lecho de filtro y el fondo del filtro están encerrados en un recipiente hermético de presión hecho de acero. Aquí, la fuerza de conducción para el proceso de filtración es la presión del agua aplicada en el lecho de filtro, la cual puede ser tan elevada que se puede alcanzar casi cualquier longitud deseada de la carrera del filtro. Los filtros de presión están disponibles comercialmente como unidades completas. No son tan fáciles de instalar, operar y mantener. Por esta razón no son muy adecuados para aplicarlos en plantas pequeñas de tratamiento en países en desarrollo.

FIGURA 1.5: FILTROS DE 1.2.2. FILTRO DE FLUJO ASCENDENTE: (figura 1.6) Sirven para un proceso de filtración de grueso a fino. La capa gruesa del fondo del lecho de filtro criba la mayor parte de las impurezas suspendidas, incluso del agua cruda turbia, sin ningún aumento grande de la resistencia del lecho de filtro, debido a los poros grandes. Las capas finas sobrepuestas tienen poros más pequeños pero aquí también la resistencia del filtro aumentara solo lentamente ya que no quedan muchas impurezas que filtrar. En los filtros de flujo ascendente se usa la arena como el único medio de filtro. Frecuentemente, se les usa para el pre tratamiento de agua que es purificada nuevamente mediante filtros rápidos del tipo de gravedad o mediante filtros lentos de arena. En tales casos, los filtros de flujo ascendente pueden dar excelentes resultados y pueden ser muy adecuados para usarlos en plantas pequeñas de tratamiento.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Una desventaja es que la resistencia permisible en un filtro de flujo ascendente no es mayor que el peso sumergido del lecho de filtro. Siendo la arena el material de filtro, la carga disponible de resistencia es casi igual al espesor del lecho. Así, para agua de rio muy turbia, la longitud de la carrera del filtro y la tasa disponible de filtración están muy limitadas.

FIGURA 1.6: FILTROS DE FLUJO ASCENDENTE 1.2.3.FILTROS DE MEDIOS MÚLTIPLES: (figura 1.7) Son del tipo gravedad, filtros de flujo descendente, cuyo lecho de filtro está compuesto de varios materiales diferentes, los cuales se colocan de grueso a fino en la dirección del flujo. Para filtros rápidos pequeños, es común usar solo dos materiales en combinación: 0.3-0.5 m de arena con un tamaño efectivo de 0.4-0.7 mm como capa inferior. Cubierta por 0.5-0.7 m de antracita, piedra pómez o corteza molidas de coco con un tamaño efectivo de 1.01.6 mm. Como tratamiento final, los filtros de capas múltiples pueden proporcionar resultados excelentes y, cuando se dispone localmente de materiales adecuados, bien vale la pena considerar su aplicación en plantas pequeñas de tratamiento.

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FIGURA 1.7: LECHO DE FILTROS DE 1.3. ASPECTOS TÉCNICOS: MEDIOS DOBLES La remoción general de impurezas del agua por filtración rápida, se lleva a cabo mediante una combinación de varios procesos diferentes. Los más importantes son: colado, sedimentación, absorción y procesos bacteriológicos y bioquímicos. Estos son los mismos procesos ya descritos para la filtración lenta en arena. Sin embargo, en la filtración rápida el material del lecho del filtro es mucho más grueso y el ritmo de filtración es mucho más elevado (hasta 50 veces mayor que en la filtración lenta en arena). Estos factores alteran completamente la importancia relativa de los varios procesos de purificación. El colado de impurezas en un filtro rápido no es importante debido a los poros relativamente grandes en el lecho del filtro. La sedimentación no será muy efectiva debido a las elevadas tasas de filtración usadas. Así, se retendrá muchas menos impurezas mediante el colado y la sedimentación que en el filtro de lento de arena. Especialmente las capas superiores del lecho del filtro serán muchos menos efectivas y habrá una profunda penetración de impurezas en todo el lecho del filtro rápido. En efecto más importante de purificación en la filtración rápida es, con mucho, la absorción de impurezas con carga eléctrica hacia los granos del

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión lecho del filtro con una carga eléctrica opuesta, en un filtro rápido las cargas estáticas naturales del material del lecho del filtro están complementadas por cargas electrocinéticas producidas por el flujo elevado de agua. Las partículas cargadas (iones) son arrastradas fuera de los granos del lecho de filtro con el resultado de que los granos quedan con una carga (opuesta). El efecto electro cinético refuerza grandemente la acción de absorción. En un filtro lento de arena el agua permanece varias horas en el lecho de filtro, pero con filtración rápida el agua pasa solo en unos cuantos minutos. Frecuentemente se remueve los atoros orgánicos acumulados en un filtro rápido cuando se limpia el filtro mediante el lavado por corriente de agua limpia. Hay muy poco tiempo y oportunidad de que se desarrolle cualquier biodegradación de materia orgánica y de que se produzca la muerte de bacterias patógenas y virus. La degradación limitada de materia orgánica no necesita ser una desventaja seria ya que los atoros acumulados serán lavados del filtro durante el lavado por corriente de agua limpia. Por lo general, la pobre actividad bacteriológica y bioquímica de un filtro rápido será insuficiente para producir agua bacteriológicamente segura. De aquí que será necesario un nuevo tratamiento, tal como la filtración lenta en arena o clorinación, para producir agua que sea apta para la bebida y para propósitos domésticos. 1.4. OPERACIÓN Y CONTROL DEL FILTRO RÁPIDO: 1.4.1.OPERACIÓN DEL FILTRO: En la figura 1.8 se muestra esquemáticamente la operación de un filtro rápido (tipo gravedad). Durante la filtración el agua ingresa al filtro a través de la válvula A, desciende hacia el lecho de filtro, fluye a través de él, pasa el sistema de desagüe inferior (fondo del filtro) y fluye el exterior a través de la válvula B. Debido al atoro gradual de los poros, la resistencia del lecho de filtro contra el flujo descendente del agua aumentara gradualmente. Esto reducirá el ritmo de filtración que esté compensado por un nivel creciente de agua cruda sobre el lecho del filtro. Frecuentemente, los filtros rápidos son diseñados para operar con un nivel constante de agua cruda, el cual requiere que el filtro este equipado con un dispositivo de control de ritmo en la línea del afluente o del efluente. Estos controladores del ritmo del filtro proporcionan una resistencia ajustable al flujo del agua. Se abren gradual y automáticamente para compensar la creciente resistencia del lecho del filtro y así, mantener constantes las condiciones de operación del filtro rápido.

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FIGURA 2.8: FILTRO RÁPIDO (TIPO GRAVEDAD) Cuando después de cierto tiempo de operación, se abre completamente el controlador del ritmo del filtro, ya no se podrá compensar un nuevo atoro del lecho del filtro y el ritmo de filtración disminuirá. Entonces se retira de servicio el filtro para lavarlo por corriente de agua limpia. Para esto, se cierra las válvulas A y B y se abre las válvulas D para drenar el agua cruda restante fuera del filtro. Unos cuantos minutos después se abre la válvula E para itir el agua de lavado. La fuerza de lavado por corriente de agua debe ser lo suficientemente elevada para expandir el lecho de filtro de tal forma que se pueda arrastrar los granos de este y que los atoros acumulados sean retirados con el agua de lavado. El agua de lavado es recolectada en los pasantes desde donde se le drena hacia el desagüe. Cuando se completa el lavado por corriente de agua limpia, se cierra las válvulas E y D y se vuelven a abrir la válvula A, permitiendo que el agua cruda empiece un nuevo recorrido del filtro. Para el material fino del lecho de filtro, la acción de arrastre producida por el agua de lavado durante el lavado por corriente puede a la larga no será suficiente para mantener limpio el lecho de filtro. Entonces es deseable un arrastre adicional usando aire y agua en combinación para el lavado por corriente de agua, sin embargo, esto es mucho más complejo que lavar solo con agua y por lo general, no es recomendable un lavado con aire y agua para plantas pequeñas de tratamiento.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión 1.4.2.CONTROL DEL FILTRO: Hay varios tipos de controladores de ritmo de filtración: dispositivo de control de ritmo de ingreso (igual distribución o “división de flujo”) y dispositivos de control del ritmo de salida (válvulas operadoras a nivel, vertederos de derrame y sifones). Básicamente, los arreglos de control de filtro se pueden dividir en tres grupos:

1. Cada filtro tiene un controlador individual de ritmo que mantiene la producción de agua filtrada en la escala constante deseada. 2. El flujo total de agua a través de la planta del filtro es controlado mediante el ritmo en el cual se extrae el agua filtrada. 3. Igual que en el 2, pero las unidades del filtro operan en ritmos individuales descendentes. Los controladores individuales de ritmo permiten a cada unidad de filtro operar a su velocidad óptima de filtración (figura 1.9). Sin embargo, esta ventaja no es muy grande y esos controladores de ritmo por lo general son muy caros y no son fáciles de mantener.

FIGURA 1.9: CONTROL DE TASA DE Los arreglos de control de filtro que usan una distribución uniforme del agua cruda (“división de flujo”) sobre las unidades de filtro o para una extracción uniforme del agua filtrada, son usados ampliamente en Europa y Norte de América. Se puede usar varios métodos. Probablemente el que se muestra en la figura 2.10b es el más simple ya que no tiene partes movibles. En este tipo, el agua cruda ingresa el filtro sobre un vertedero. Para todos los filtros la cresta del vertedero se encuentra al mismo nivel. Al conducto de agua cruda que alimenta a las unidades de filtro se le da un tamaño considerable de tal forma que el agua fluirá sin ninguna pérdida apreciable de carga. El nivel de agua en él será prácticamente el

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión mismo en cada vertedero de entrada. Así, el ritmo de derrame en cada vertedero será distribuido en forma equitativa. Se puede controlar el ritmo de filtración conjuntamente para todas las unidades de filtro mediante el ritmo de alimentación del agua cruda. Se le puede adaptar fácilmente para satisfacer la demanda de agua filtrada. En este arreglo habrá variaciones considerables del nivel de agua cruda en los filtros, lo cual puede ser objetable. De ser así, se puede preferir otro arreglo como se muestra en la figura 1.10c. Aquí, se usa una válvula controlada con flotador para mantener constante el nivel del agua cruda en cada filtro. Frecuentemente, se usa los filtros rápidos para tratar agua que ha sido pre tratada mediante coagulación, floculación y sedimentación; entonces, sirven para retener los flóculos procedentes de los tanques de sedimentación. Se debe prevenir cualquier rotura de estos flóculos y los vertederos de entrada mencionados anteriormente no son adecuados en estos casos. El arreglo que se muestra en la figura 2.10a sería mucho mejor. Cada filtro está equipado con una caja flotante en la cual se mantiene constante el nivel de agua, en el mismo nivel en todas las unidades de filtro, con una válvula controlada con flotador. El canal efluente debe tener un tamaño considerable para asegurar que el nivel del agua será prácticamente el mismo en cada compuerta de efluente del filtro. El ritmo general de producción de todos los filtros conjuntamente puede ser controlado ahora mediante el ritmo en el cual se extrae el agua filtrada.

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FIGURA 1.10: SISTEMA DE CONTROL DE 1.5. FILTRACIÓN A RITMO DESCENDENTE: Cuando no se usa controladores de ritmo de filtración, se realizara la filtración en un ritmo descendente. El diseño de filtros a ritmo descendente es mucho más simple que el filtro de ritmo controlado. Se puede usar leños simples de detención o compuertas para el control del filtro (figura 1.11).

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FIGURA 1.11: FILTRACIÓN DE TASA DECLINANTE

Todos los filtros están en conexión directa con los conductos de agua cruda y de agua filtrada. Consecuentemente, todos tienen el mismo nivel de agua cruda y el mismo nivel de agua filtrada, de tal forma que todos los filtros operaran bajo la misma carga. Sin embargo, el ritmo de filtración para las varias unidades de filtro será diferente: será más elevado en el filtro recién lavado mediante retro lavado y más bajo en el que tiene un mayor movimiento en la jornada corriente del filtro. Para todos los filtros en forma conjunta, la producción estará determinada por el abastecimiento de agua cruda, el cual debe ser suficientemente elevado para satisfacer la demanda de agua filtrada. Durante la filtración, los lechos de filtros se atoran gradualmente y el nivel de agua cruda en todos los filtros se eleva debido de filtro que ha estado en operación por el periodo de tiempo más largo probablemente alcanzara primero el nivel máximo permisible de agua cruda y necesitara limpieza mediante retro lavado. Después de su limpieza, este filtro tendrá la resistencia más baja contra el flujo, de tal forma que una porción considerable del agua cruda abastecida pasara a este filtro. La carga en los otros filtros será reducida temporalmente. Esas unidades mostraran una baja en el nivel de agua cruda. Cuando en un segundo filtro se alcanzara el nivel máximo de agua cruda, este será lavado mediante retro lavado y así sucesivamente.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Si no se toma medidas especiales, la escala de filtración en un filtro de ritmo descendente, justo después de la limpieza, puede ser muy elevada, hasta 25 m3/m2/hora, lo cual es mucho más elevado que la tasa promedio de 5-7 m3/m2/hora. Cuando es necesario limitar el ritmo de filtración con el fin de salvaguardar la calidad del agua filtrada, se debe colocar un dispositivo extra de resistencia de flujo (por ejemplo, un orifico) en la línea de influente. Para los filtros de presión, la filtración de ritmo descendente es una práctica común. Para los filtros rápidos de tipo gravedad, su aplicación aumenta gradualmente en Gran Bretaña, en América Latina y también, en una escala limitada, en Norte de América. Debido a su simplicidad, la filtración de ritmo descendente está siendo considerada para plantas pequeñas de tratamiento en países en desarrollo. 1.6. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO: Se necesita seleccionar cuatro parámetros para el diseño de un filtro rápido. El tamaño de grano del material de filtro, el espesor del lecho de filtro, la profundidad del agua sobrenadante y el ritmo de filtración. En la medida de lo posible, estos factores de diseño deben basarse en la experiencia obtenida en las plantas existentes que tratan la misma agua cruda o una comparable. Cuando no existe tal experiencia, el diseño debe basarse en los resultados obtenidos en una planta piloto que opere filtros experimentales. 1.7. ARREGLOS PARA EL RETRO LAVADO: Un filtro rápido se limpia mediante lavado con corriente de agua, esto es, dirigiéndose un flujo de agua limpia hacia arriba a través del lecho de filtro por un periodo de unos cuantos minutos. Se puede usar el agua filtrada acumulada mediante bombeo en un tanque elevado, o directamente el efluente de las otras unidades de filtro (en operación) de la planta de filtración (“arreglos de auto lavado”). La velocidad del flujo ascendente de agua debe ser lo suficientemente elevada para producir una expansión de lecho de filtro de tal forma que se pueda aflojar y retirar con el agua de lavado los atoros acumulados.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión FIGURA 1.12: RETROLAVADO DE UN FILTRO

En el cuadro 1 se presenta una lista de las escalas típicas de retro lavado que proporcionan una expansión de aproximadamente 20 por ciento para un lecho de filtro de arena (peso específico: 2.65 g/cm3). Cuadro 1: Escalas típicas de retro lavado dmm t 10 °C 20 °C 30 °C

0. 4 12 14 16

0.5

0.6

0.7

Escala de retro 17 22 28 20 26 33 23 30 38

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

lavado (m3/m2/hora) 34 40 47 54 40 48 56 64 47 56 65 75

62 73 86

d = tamaño promedio de grano de la arena del filtro (mm) t = temperatura de agua de retro lavado (°C) v = tasa de retro lavado (m 3/m2/hora) Si se abastece el agua de lavado con bombas, normalmente se usa un numero de tres (en instalaciones muy pequeñas, dos) de las cuales una sirve como unidad de reserva. Para ritmos elevados de retro lavado y áreas más grandes de lecho de filtro, estas bombas necesitan ser de una gran capacidad por lo que su instalación y operación son bastante caras. Entonces, es preferible un reservorio de agua de lavado tal como el que se muestra en la figura 1.13, las bombas pequeñas serán adecuadas para llegar el reservorio durante los intervalos entre los lavados sucesivos. Por lo general, el reservorio debe tener una capacidad entre 3 y 6 m3 por m2 de

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión área del lecho de filtro y se le debe colocar de 4 a 6 metros sobre el nivel del agua en el filtro. Usualmente se provee tres bombas para bombear agua hacia el tanque de agua de lavado; una de estas es la unidad de reserva. La capacidad total de las dos bombas en operación debe ser de aproximadamente 1020% de la escala de abastecimiento del agua de lavado. Un tanque especial de agua de lavado o un reservorio no son necesarios cuando el agua de lavado requerida es tomada del reservorio de agua filtrada. Sin embargo, esto puede causar fluctuaciones no deseadas de la presión en el sistema de distribución debido al abastecimiento interrumpido de agua.

FIGURA 1.13: ARREGLO DE TANQUE DE AGUA DE Una solución más simple consiste en aumentar la profundidad del agua que permanece sobre el lecho del filtro y limitar la resistencia máxima

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión del filtro .Entonces el agua filtrada estará disponible en una carga de 1.5 a 2 metros sobre el lecho de filtro, lo cual debe ser suficiente. Las unidades en operación de la planta de filtración deben abastecer agua suficiente para el ritmo requerido de retro lavado. Por esto, una planta de filtración rápida que use este arreglo de retro lavado debería tener por lo menos seis unidades de filtro. El agua de lavado es itida en la parte de abajo del lecho de filtro a través del sistema de desagüe inferior (“fondo del filtro”). Para dividir uniformemente el agua el lavado sobre toda el área del lecho de filtro, el sistema de desagüe inferior debe proveer una resistencia suficiente contra el paso del agua de lavado (generalmente 0.6-1.0 metros de carga de agua)

Figura 1.14: SISTEMAS LATERALES DE Un sistema de desagüe inferior usado frecuentemente consiste en laterales colocados con una separación aproximada de 0.2 m y conectados a un tubo múltiple (Figura 1.14).Los laterales tienen perforaciones en la parte de abajo, con un diámetro de aproximadamente 10 mm. Por lo general, se usa tuberías de cemento – asbesto y plástico rígido en este sistema de desagüe inferior.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Para evitar que el material de filtro ingrese a los laterales a través de las perforaciones, el lecho de filtro debe ser sostenido por una capa de material grueso (por ejemplo grava) que no sea desalojada por el agua del lavado impulsada desde las perforaciones de desagüe inferior. Por ejemplo, la arena de filtro de 0.7-1.0 mm de tamaño efectivo requeriría 4 capas de grava; desde la parte superior hasta el fondo; 0.15m X 2-2.8 mm, 0.1m X 5.6-8 mm, 0.1m X 16-23mm y 0.2m X 3854mm; el paquete total de grava tendrá 0.55m de profundidad.

Figura 1.15: CONDICION DE FLUJO EN CANALETAS DE AGUA DE LAVADO Después de pasar por el lecho de filtro, el agua de lavado que transporta las impurezas lavadas es colectada y drenada al exterior mediante las canaletas de agua de lavado. La distancia que el agua de lavado tendrá que viajar en forma horizontal hacia la pileta debe estar limitada a aproximadamente 1.5-2.5m. Se coloca las piletas con su parte superior a 0.5-0.6m sobre el lecho de arena no expandido y su área transversal dependerá de que en el extremo de la pileta, la profundidad del agua sea la profundidad de descarga libre (“Critica”)(Figura 1.15). El cuadro 2 proporciona los ritmos de flujo de agua de lavado (Q) para combinaciones de flujo profundo de agua de lavado (H) y ancho de la canaleta de agua de lavado (b). Cuadro 2:

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión Capacidad de las canaletas para llevar agua de lavado (litros/seg)

FIGURA 1.16: ARREGLOS TÍPICOS DE CANALETAS DE AGUA DE LAVADO Se pueden colocar las canaletas de agua de lavado de varias maneras. La figura 16 muestra arreglos típicos. Particularmente cuando se usa arena fina, con un tamaño de grano inferior a aproximadamente 0.8mm, la fuerza de arrastre del agua de lavado ascendente puede ser inadecuada para mantener limpios los granos del filtro en la jornada larga. Después de cierto tiempo pueden abrirse con una capa pegajosa de materia orgánica. Esto puede causar problemas tales como bolas de lodo y rajaduras en el filtro (Figura 1.17).

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Figura 1.17: BOLAS DE LODO Y RAJADURAS EN EL Estas se pueden prevenir proveyendo un arrastre adicional a través de lavado por aire. La limpieza del filtro se inicia ahora con un lavado por corriente de aire en un ritmo de 30-50m/hora, por lo general combinado con un lavado con agua en un ritmo de 10-15m/hora. Esto debe remover los recubrimientos de los granos de filtro y el siguiente lavado con agua retira el material aflojado. Para el retro lavado con corriente de aire es necesario un sistema separado de tuberías. En la figura 1.18 se muestra un ejemplo. Se debe remarcar que el retro lavado por corriente de aire y agua es generalmente un arreglo demasiado complejo para plantas pequeñas de tratamiento de agua.

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Universidad nacional José Faustino Figura 1.18: RETRO LAVADO POR Sanchez Carrión CORRIENTE DE AGUA Y AIRE.

En la figura 1.19 se muestra un arreglo interesante para alimentar aire y agua para el retro lavado. El retro lavado se inicia permitiendo que el agua de la cámara 1 fluya hacia la cámara 2. El aire de la cámara 2 se presuriza y es itido para el arrastre del filtro. Luego se usa el agua colectada en la cámara 2 para el retro lavado del filtro. 1.8. DISPOSICION DE PLANTA DE FILTRACION RAPIDA: Una planta de filtración rápida consiste en un número de unidades de filtro (mínimo 2) cada una con un área A. Cuando un filtro está fuera de funcionamiento por limpieza, las unidades restantes deben ser capaces de proveer la capacidad requerida Q en el ritmo seleccionado de filtración r. Esto se expresa en la fórmula:

Q=( n−1 ) xAxn Para plantas pequeñas hay poca alternativa en lo que respecta a las combinaciones adecuadas n y A, pero para plantas mayores, la alternativa debe ser tal que se minimice el costo de construcción. Como un paso tentativo de diseño, el área del lecho de la unidad de filtro (A) expresada en metros cuadrados puede ser tomada como aproximadamente 3.5 veces el número de unidades de filtro n. Para economizar en la construcción y operación, se debe colocar las unidades de filtro en un grupo compacto con las líneas de afluente y efluente y cualquier línea de alimentación de sustancias químicas lo más cerca posible. La colocación de las diferentes unidades de una planta de filtración rápida es un tema que garantiza la más minuciosa atención del ingeniero de diseño. Se debe hacer cierta concesión para una futura expansión de la planta. En la figura 1.20 se muestra un ejemplo.

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Figura 1.19: ARREGLO PARA RETROLAVADO POR CORRIENTE DE AGUA Y AIRE.

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FIGURA 1.20: DISPOSICION DE PLANTA DE FILTRACION RAPIDA Muchos diseños ubican el edificio de servicio en el centro mientras que en los extremos, varias unidades de filtro están dispuestas en uno o dos lados del corredor de dos niveles, siendo el nivel superior el piso de operación y el nivel más bajo la galería de tuberías. 1.9. CONSTRUCCION: Como se explicó en las secciones anteriores, un filtro rápido consiste en un tanque que contiene el sistema de desagüe inferior, el lecho de filtro y el agua sobrenadante. Mayormente el tanque de filtro es hecho de cemento reforzado, rectangular y con paredes verticales. El diseño de la estructura de concreto sigue las reglas comunes con la dificultad agregada que las estructuras que retienen el agua deben ser herméticas. Se debe proveer una cubierta amplia de concreto para proteger las barras de refuerzo contra la corrosión. Se debe colocar todas las barras lo suficientemente distantes para permitir que el concreto las rodee completamente. Se debe mantener al mínimo las tensiones de carga. Cualquier tensión que se desarrolle en el concreto

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión debido al secado, contracción, cambios de temperatura y diferencias en la subsidencia del suelo, debe estar limitada en lo posible, subdividiendo el edificio en un número de secciones independientes conectadas con uniones herméticas de expansión. La mezcla de concreto del contenido de cemento y la colocación de la mezcla debe buscar, en la medida de lo posible, una completa impermeabilidad y la menor contracción por secado durante el endurecimiento. Nunca se debe usar un acabado de yeso. Se debe obtener un buen acabado usando contraventanas suaves, por ejemplo, hechas de madera laminada. Para evitar el corte de circuito del flujo de agua a lo largo de las paredes de la caja de filtro, la contraventana inferior opuesta al lecho de filtro debe ser hecha de planchas no planas colocadas horizontalmente. Cuando sea posible, se debe colocar los filtros sobre la napa más elevada de agua subterránea, si fuera necesario en terreno elevado. En el pasado se desarrolló numerosos sistemas de desagüe inferior (popularmente conocidos como “fondos de filtro”) pero desafortunadamente muchos son muy caros o no pueden asegurar una distribución uniforme del agua de lavado en todo el lado inferior del lecho de filtro. El sistema simple descrito anteriormente, que usa laterales perforados, puede construirse de tal forma que se obtenga una buena distribución del agua de lavado. Tiene la ventaja adicional de que se le puede hacer de materiales localmente disponibles usando conocimientos locales. Otra buena solución es el sistema de fondo falso y colador de desagüe inferior. Consiste en losas de concreto prefabricado de aproximadamente 0.6X0.6 m2, colocadas sobre y ancladas a pequeñas columnas de concreto como se muestra en la figura 1.21.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión FIGURA 1.21: SISTEMA DE DESAGÜE INFERIOR CON FONDO FALSO Y Las losas están provistas de huecos, aproximadamente 60 por metro cuadrado, en los cuales se coloca los coladores (Figura 1.22). Las hendiduras en estos coladores son estrechas, aproximadamente de 0.5mm, ofreciendo una resistencia suficiente contra el paso del agua de lavado para una distribución pareja del agua. Este sistema de desagüe inferior permite que se coloque la arena del filtro directamente sobre el fondo del filtro con los coladores y no es necesaria ninguna capa complementaria de grava Figura 1.22: COLADORES DE PLÁSTICO

El trabajo de un filtro rápido lo realiza el lecho de filtro y se debe prestar una atención considerable a su composición. La arena como material de filtro ha demostrado dar resultados excelentes, es barata y por lo general disponible; y por estas razones, ampliamente usada. Para los lechos de filtro simplesmedios no hay razón para usar otros materiales de filtro, excepto en casos muy especiales. Para evitar una clasificación hidráulica durante el retro lavado, lo que llevaría a los granos finos a la parte superior y a los granos gruesos al fondo del lecho de filtro, se debe usar arena de filtro lo más uniforme posible en tamaño. Debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a 1.7, preferiblemente tan bajo como 1.3. Los requerimientos para la graduación de la arena de filtro son dados mejor como porcentajes máximos y mínimos de material que pasa por varias cribas de mallas de tamaño estándar. Para una especificación gráfica, se puede trazar un diagrama como en la figura 1.23.

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FIGURA 1.23: ESPECIFICACION DE LA ARENA DE FILTRO PARA EL 1.10. FILTRACIÓN RÁPIDA APLICADA A PEQUEÑAS COMUNIDADES Debido a su construcción y diseño complejo y a la necesidad de operación explícita, los filtros rápidos no son muy adecuados para su aplicación en plantas de tratamiento de agua a escala de pequeñas comunidades. Esto es especialmente cierto para su uso como filtros finales en el tratamiento de agua turbia de río. Entonces, la seguridad bacteriológica del agua filtrada tiene que ser asegurada mediante la pos clorinación con todas sus dificultadas asociadas. Sería mejor usar los filtros lentos de arena que ofrecen un filtrado bacteriológicamente seguro, pero estos pueden sufrir de atoro rápido causado por la turbiedad presente en el agua cruda. Se puede remover la materia suspendida del agua cruda a través de varios procesos tales como: almacenamiento, coagulación y floculación y sedimentación. Sin embargo, sólo los filtros rápidos son capaces de producir en forma constante agua clara con una turbiedad inferior a 5 UTF. Esto asegurará la operación fluida de cualquier filtro lento siguiente. Debe haber pocas objeciones contra una aplicación tal de los filtros rápidos. El uso de la filtración rápida para la remoción de hierro y manganeso del agua subterránea también presenta pocos problemas, ya que el riesgo para la salud de la posible contaminación del agua tratada será pequeño .Suponiendo un uso de agua de 40 litros/persona/día, la capacidad

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión requerida de filtración de agua para 10000 personas sería de 400 m3/día o 40 m3/hora para un período diario de operación de 10 horas. Con una tasa de filtración de 5m/hora, esto requiere un área de lecho de filtro de 8 m2, la cual se puede proveer en tres filtros circulares de 2m de diámetro cada uno (un filtro como reserva).Probablemente sería mejor que el sistema de desagüe inferior estuviera hecho de laterales perforados (véase sección 4) cubiertos con capas graduadas de grava, piedras rotas ladrillos duros cincelados al tamaño deseado. Cuando se dispone de arena gruesa se le debe graduar usando tamices adecuados. Los límites de graduación serían 0.8mm – 1.2mm para los pre filtros; 1.0mm-1.5mm para los filtros de remoción del hierro y manganeso. Para los pre filtros del espesor del lecho de arena se debe tomar en 1.0m y para los filtros de remoción del hierro y manganeso en 1.5m. En el caso que no se puede obtener la arena, se pude usar materiales similares, tales como piedras quebradas, ladrillos, carbonato de calcio cristalino, dolomita, etc. Estos deben ser graduados a un tamaño aproximado 40 por ciento más grande que los tamaños mencionados anteriormente. En algunas instancias, las cáscaras quemadas de arroz y las cortezas quebradas de coco han proporcionado resultados aceptables. Antes de habilitar el filtro se le debe lavar por corriente de agua durante aproximadamente media hora para limpiar el material de filtración. Se puede fijar la profundidad del agua sobrenadante en entre 1.5-2m. Entonces la caja de filtro tendrá una profundidad total de 3.5-4m. La mayor dificultad encontrada en la filtración rápida a escala de pequeñas comunidades es el proceso de retro lavado. No es económico usar una bomba de agua de lavado. En el ejemplo presentado anteriormente, se necesitaría una capacidad de 100-200m3/hora, en duplicado para considerar fallas mecánicas. Comparada con la capacidad de planta de 40 m3/hora, pero se debe tener en cuenta los costos del tanque. Para poblados con edificios bajos, la presión en el sistema de distribución, por lo general, no necesita ser mayor a 6m. En estos, una buena solución será usar un reservorio elevado de servicio para el retro lavado de los filtros. No será necesaria ninguna bomba separada. En la figura 1.24 se muestra la distribución de la planta de filtración rápida descrita anteriormente. El agua cruda ingresa al filtro a través de la válvula A y cae en canaleta de agua de lavado para dispersar la energía de flujo. Las tuberías ramales en las cuales se coloca la válvula A, tienen un diámetro pequeño que proporciona suficiente resistencia de flujo (por ejemplo 0.5m de la carga) para asegurar una distribución pareja del agua cruda sobre las unidades individuales de filtro. El agua filtrada es descargada a través de la válvula D y pasa sobre un vertedero colocado en la cámara de derrame. La

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión parte superior del vertedero es colocada tan alto que el nivel más bajo de agua cruda en el tanque de filtro estará por lo menos 0.2m sobre el lecho de filtro. Debido al atoro, el nivel del agua sobrenadante se elevará hasta alcanzar el nivel de presión del agua en la tubería de abastecimiento; ya no ingresará más agua al filtro. Entonces, se debe limpiar el filtro alimentando el agua de lavado a través de la válvula C y descargándola a través de la válvula B. El agua sucia de lavado debe ser clarificada mediante sedimentación después de lo cual se le puede descargar de nuevo hacia el río a cierta distancia aguas abajo del lugar de captación del agua cruda.

Figura 1.24: DISTRIBUCION GENERAL DE UNA PLANTA DE FILTRACION RAPIDA 1.11. FILTRACION GRUESA Algunas veces puede ser adecuado un tratamiento más limitado que la filtración rápida usando un lecho de arena para el tratamiento del agua cruda. Esto se puede obtener usando grava o fibras de plantas como material de filtro. En el filtro de flujo ascendente de la figura 6 se usará tres capas que tengan tamaños de grano de 10-15mm; 7-10mm y 4-7mm desde el fondo hacia arriba y con sistema simple de desagüe inferior. Este filtro grueso (devastador) tendrá poros grandes que no están expuestos al atoro rápido. Se puede usar una tasa elevada de filtración hasta de 20m/hora. Los poros grandes también permiten la limpieza a ritmo relativamente bajo de retro lavado, ya que no se necesita ninguna expansión del lecho de filtro. El retro lavado de los filtros gruesos toma un tiempo relativamente largo, aproximadamente 20-30 minutos.

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FIGURA 1.25: FILTRO HORIZONTAL DE Otra posibilidad es el uso de filtros horizontales, como se muestra en la figura 1.25. Estos tienen una profundidad de 1-2m subdivididos en tres zonas, cada una aproximadamente 5m de largo y compuestas de grava con un tamaño de 20-30mm, 15-20mm y 10-15mm. La tasa de flujo horizontal del agua, calculada sobre toda la profundidad, será de 0.5-1.0m/hora. Esto representa a una carga muy baja de superficie del filtro, de sólo 0.030.04m/hora. Se requerirá un área más grande, pero la ventaja es que el atoro del filtro se realizara muy lentamente de tal forma que se necesitará la limpieza sólo después de un período de años. Esta limpieza se realiza excavando y lavando el material de filtro después de lo cual se le vuelva a colocar en su sitio. Se ha usado fibras de coco como material de filtro en una unidad experimental similar a un filtro de arena. El lecho de filtro tiene un espesor de sólo 0.3-0.5m y la profundidad del agua sobrenadante aproximadamente 1m. Se opera el filtro a tasas de 0.5-1.0m/hora, la cual da una longitud de jornada del filtro de varias semanas. Para limpiar el filtro primero se le drena, después de lo cual se saca y se desecha las fibras de coco. Se vuelve a empaquetar el filtro con material nuevo que previamente ha sido remojado en agua por 24 horas para remover la mayor cantidad posible de materia orgánica. Los filtros de fibra de coco parecen ser capaces de soportar fluctuaciones considerables en su carga mientras producen un efluente de calidad casi constante. Los experimentos muestran una conducta remarcablemente constante de los filtros de fibra coco. La remoción total de turbiedad varió entre el 60 y el 80 por ciento.

FILTROS BIOLÓGICOS

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión FILTROS BIOLOGICOS AGUAS SERVIDAS Son las aguas residuales domésticas y que son el resultado de las actividades cotidianas de las personas. Por ejemplo, la que eliminamos a través de los lavaplatos, artefactos sanitarios, etc. Esta agua contiene cantidad de agentes contaminantes y gérmenes lo que obliga a evacuarlas de forma segura, tanto para las personas, como para el medio ambiente. Evacuar las aguas servidas, a simple vista, parece sencillo, pero no es así.

PROCESO DE RECOLECCIÓN ¿Cómo es el proceso de Recolección? La recolección se inicia a través del Sistema de Alcantarillado Público, que se compone de uniones domiciliarias y cañerías de desagüe las que desembocan en los colectores, los que están instalados a mayor profundidad en el suelo. Los residuos que son recolectados y que se descargan en los colectores de grandes diámetros, son los que conducen sus aguas hacia las estaciones elevadoras y a las Plantas de Tratamiento.

¿Qué son las Estaciones Elevadoras? Las estaciones elevadoras sirven para facilitar la conducción de las Aguas Servidas de manera gravitacional hasta los lugares donde serán tratadas para luego ser dispuestas en el medio ambiente.

Los Sistemas de Alcantarillado están diseñados para recolectar sólo Aguas Servidas Domésticas

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión PROCESO DE TRATAMIENTO El Tratamiento de las aguas Servidas recolectadas debe limpiarse antes de ser devueltas al medio ambiente, para no dañar la flora y fauna. Existen diferentes tipos de tratamiento de acuerdo al lugar donde se devolverán las aguas: Plantas de Tratamiento Preliminar con Emisario, que se disponen al mar. Plantas de Tratamiento Biológico que se disponen las aguas en cauces naturales como ríos y esteros: Lagunas de Estabilización (para localidades pequeñas) Sistema de Lodos Activados. Del Proceso de Tratamiento se extraen sólidos en la forma de basura, los cuales son sacados mediante camiones y transportados a lugares especialmente habilitados, que han sido aprobados por las autoridades municipales, de salud y medio ambiente.

PROCESO DE DISPOSICIÓN FINAL La Disposición final es el proceso en el cual las aguas ya tratadas en las plantas de tratamiento, son devueltas limpias a los cauces naturales como esteros, río y mar. En las zonas del interior, los líquidos previamente tratados y desinfectados, son descargados a los ríos y esteros, y pueden ser utilizados de manera segura para las labores de riego. En las zonas costeras, estos líquidos tratados, se internan mar adentro a grandes profundidades, en la cual se diluyen naturalmente y con la salinidad del mar se completa el proceso de reciclaje de las aguas residuales.

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión NOTA: En las de

el

Perú plantas

tratamiento son escasas y, por lo general, las aguas servidas son vertidas al mar, los ríos o los lagos, dando origen a una seria contaminación de las aguas por saturación de materia orgánica y por los patógenos contenidos (bacterias, virus, huevos de parásitos, etc.). Las aguas servidas deben tratarse antes de ser vertidas en el ambiente, y para esto existen sistemas adecuados

EL FILTRO BIOLÓGICO El filtro biológico es un sistema mixto anaerobio y aerobio no forzado para la depuración de las aguas residuales de viviendas. Los biofiltros, también denominados filtros biológicos, son dispositivos que eliminan una amplia gama de compuestos contaminantes desde una corriente de fluido (aire o agua) mediante un proceso biológico. El filtro biológico para aguas residuales se compone de una sedimentación primaria con digestión anaerobia de fangos, seguido de un tratamiento mediante un filtro biológico. El rendimiento de depuración está entorno al 80% - 90%. Ideal para tratar las aguas en instalaciones en las que no precise gran calidad de vertido. El resultado del proceso es un agua no apta para riego ni vertido a cauce público. Las aguas residuales, al llegar a la depuradora, primero pasan por el decantador digestor que realiza la sedimentación primaria y la digestión de

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión fangos, donde las bacterias anaerobias degradan la materia orgánica, descomponiendo los sólidos. Las aguas claras pasan por el filtro biológico a través de una tubería que distribuye las aguas claras sobre el material filtrante, donde las bacterias aerobias siguen depurando el agua de los restos orgánicos y la dejan en óptimas condiciones. Soluciones robustas, prácticas, de fácil colocación y mantenimiento simple. Mayor capacidad de depuración y retención de sólidos debido al relleno biológico instalado.

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PRETRATAMIENTO Se retiran sólidos y gruesos de gran tamaño, así como las arenas y grasas

TRATAMIENTO PRIMARIO Se eliminan sólidos en suspensión fácilmente sedimentables y algo de materia orgánica.

TRATAMIENTO SECUENDARIO La M.O. que queda disuelta y en suspensión así como el resto de las partículas sólidas que no se han eliminado en los tratamientos anteriores, son eliminadas mediante los denominados “Procesos Biológicos de Depuración Aerobia”

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Fig. 1. Sistema de tratamientos de aguas residuales

PROCESOS BIOLÓGICOS DE DEPURACIÓN AEROBIA Realizados por determinado grupo de microorganismos (principalmente bacterias y protozoos) que en presencia de Oxígeno, actúan sobre la M.O. e inorgánica disuelta, suspendida y coloidal existente en el agua residual, transformándola en gases y materia celular, que puede separarse fácilmente mediante sedimentación. La unión de materia orgánica, bacterias y sustancias minerales forma los flóculos y el conjunto de flóculos es lo que todos conocemos como fango biológico.

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1.

Fig.

procesos biológicos de depuración aerobia OBJETIVOS • • En el • •

Transformación de la M.O. Coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables. caso de algunas aguas residuales urbanas: La eliminación de N2 y de P. Disminución de los microorganismos patógenos y fecales que habitan el agua residual.

PROCESOS DE OXIDACIÓN BIOLÓGICA El mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual: “Oxidación biológica” De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha M.O. en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción: M.O. + Microorganismos + Nutrientes + O2  Prod Finales + Nuevos microorg. + Energía

Fig. 3. procesos de

oxidación biológica

REACCIONES DE OXIDACIÓN Y RESPIRACIÓN ENDÓGENA Los microorganismos al igual que nosotros, necesitan de Energía para poder realizar sus funciones vitales (moverse, comer etc.), dicha energía la obtienen transformando la materia orgánica asimilada y aquella acumulada en forma de sustancias de reserva en gases, agua y nuevos productos de acuerdo con la siguiente reacción:

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión C5H7NO2 (material celular) + 5O2  5CO2 + 2H2O + NH3 + Energía Después de un tiempo de o suficiente entre la M.O. del agua residual y los microorganismos (bacterias), la M.O. del medio disminuye considerablemente transformándose en nuevas células, gases y otros productos. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA OXIDACIÓN BIOLÓGICA Los factores principales que hay que tener en cuenta para que se produzcan las reacciones biológicas y por tanto, la depuración del agua residual son: Temperatura: A medida que aumenta la Temperatura, aumenta la velocidad con que los microorganismos degradan la materia orgánica, pero a partir de los 37°C, dichos organismos mueren. Las características del sustrato: Las características físico-químicas del agua residual, determinan el mejor o peor desarrollo de los microorganismos en este sistema, existiendo compuestos contaminantes que son degradables biológicamente y otros que no lo son Los nutrientes: El interior celular, aparte de C, H y O, elementos característicos de la materia orgánica, contiene otros elementos como son el N, P, S, Ca, Mg e.t.c., denominados nutrientes y que a pesar de que muchos de ellos se encuentran en el organismo sólo en pequeñas cantidades, son fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica. Se ha determinado a nivel medio que los microorganismos para sobrevivir necesitan por cada 1000 gr. de C, 43 de N y 6 de P, y que en las aguas residuales urbanas existen por cada 1000 gr. de C, 200 gr. de N y 16 gr. D Aportación de Oxígeno: Como hemos visto, para el desarrollo de las reacciones biológicas es necesario un medio aerobio, es decir, con oxígeno suficiente que permita el desarrollo y la respiración de los microorganismos aerobios. Salinidad: El contenido en sales disueltas no suele ser problemático para el desarrollo bacteriano en el proceso de fangos activos hasta concentraciones de 3 a 4 gr/l. En los procesos de cultivos fijos (lechos bacterianos), la influencia es aún menor, no afectando valores que no superen los 15 gr/l. Sin embargo, existen multitud de grupos bacterianos capaces de vivir en aguas saladas, de forma que si a tu sistema de depuración le das tiempo de adaptación, pueden desarrollarse bastante bien dichos grupos microbianos a concentraciones salinas superiores.

EL PROCESO DE FANGOS ACTIVADOS

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El

proceso de fangos activados es un sistema de tratamiento de las aguas residuales en el que se mantiene un cultivo biológico formado por diversos tipos de microorganismos y el agua residual a tratar. Los microorganismos se alimentarán de las sustancias que lleva el agua residual para generar más microorganismos y en el proceso se forman unas partículas fácilmente decantables que se denominan flóculos y que en conjunto constituyen los denominados fangos activos o biológicos.

SISTEMAS ANAEROBIOS Los organismos anaerobios o anaeróbicos son los que no utilizan oxígeno (O2) en su metabolismo, más exactamente que el aceptor final de electrones es otra sustancia diferente del oxígeno. Si el aceptor de electrones es una molécula orgánica (piruvato, acetaldehído, etc.) se trata de metabolismo fermentativo; si el aceptor final es una molécula inorgánica distinta del oxígeno (sulfato, carbonato, etc.) se trata de respiración anaeróbica.

RESPIRACIÓN ANAERÓBICA La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxidorreducción de monosacáridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno. En el proceso anaeróbico no se usa oxígeno, sino que para la misma función se emplea otra sustancia oxidante distinta, como el sulfato o el nitrato. En las bacterias con respiración anaerobia interviene también una cadena transportadora de electrones en la que se reoxidan los coenzimas reducidos durante la oxidación de los substratos nutrientes; es

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión análoga a la de la respiración aerobia, ya que se compone de los mismos elementos (citocromos, quinonas, proteínas ferrosulfúricas, etc.). La única diferencia, por tanto radica, en que el aceptor último de electrones no es el oxígeno. Aceptor

Producto final

Microorganismo

Nitrato

Nitritos, óxidos de nitrógeno y N2

Pseudomonas, Bacillus

Sulfato

Sulfuros

Desulfovibrio, Clostridium

Azufre

Sulfuros

Thermoplasma

CO2

Metano

Methanococcus, Methanosarcina, Methano pyrus

Fe3+

Fe2+

Shewanella, Geobacter, Geospirillum, Geo Vibrio

Mn4+

Mn2+

Shewanella putrefaciens

Selenato

Selenito

Arsenato

Arsenito

Desulfotomaculum

Fumarato

Succinato

Wolinella coli

DMSO

DMS

Campylobacter, Escherichia

TMAO

TMA

Clorobenzoa to

Benzoato

succinogenes, Desulfovibrio, E.

Desulfomonile

Fig. 4. Tabla de aceptacion y productos finales de las bacterias

FERMENTACION

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La

mayoría de los organismos anaerobios utilizan la fermentación para obtener energía química. Existen diferentes tipos de fermentación en función de la ruta metabólica utilizada. Así, se denomina fermentación alcohólica a aquella en la que se genera etanol, fermentación láctica a la que genera ácido láctico, fermentación ácido-mixta a la produce Aerobio: Aerobio: Organismo que solo puede vivir en un medio con oxígeno, utilizando el mecanismo de respiración aerobio.

Fig. 4. Fermentación

DIGESTIÓN ANAEROBIA La Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano y de CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.

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Fig. 5. Degradación biológica de la materia orgánica •

La digestión anaerobia es un proceso que se produce en ambientes naturales como los pantanos, en zonas anegadas para el cultivo de arroz, en los sedimentos de lagos y mares, en las zonas anóxicas del suelo, en fuentes de aguas termales sulfurosas y en el tracto digestivo de los rumiantes.

•

Balance: En el campo del tratamiento de las aguas residuales, la contaminación orgánica es evaluada a través de la DQO (demanda química de oxígeno), la cual mide básicamente la concentración de materia orgánica. La forma de apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de aguas residuales, es comparando su balance de DQO con el del tratamiento aerobio

Fig. 6. Balance anaerobio vs aerobio

TRATAMIENTO ANAEROBIO •

La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano producido.

•

En vista de que no hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.

Fig. 7. Etapas de la digestión Anaerobica

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Fig. 8. Reacciones bioquímicas en la digestión Anaeróbica de la materia orgánica

SULFATO REDUCCIÓN •

La sulfato reducción es el proceso durante el cual el sulfato se reduce a sulfuro de hidrógeno, mediante la participación de las bacterias sulfato reductoras (BSR)

Fig. 8. Reducción Biológica del Sulfato

DESNITRIFICACIÓN

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión •

• Es un proceso anóxico en el cual los nitratos son reducidos a nitrógeno gaseoso.

•

Las desnitrificación es utilizada en postratamientos de aguas residuales para remover nutrientes.

FILTROS PERCOLADORES FILTROS PERCOLADORES Es un Filtro biológico constituido por una masa o lecho fijo compuesto por una cama de grava o un medio plástico de material pedregoso, carbón entre otros, que trabaja bajo condiciones principalmente aeróbicas y es en donde se rocían las aguas negras pre –tratadas sobre el filtro para la depuración de la misma al pasar por medio de una capa de sustancia porosa. En este sistema los microorganismos se apegan al medio del lecho formando una capa biológica, donde la materia orgánica se degrada por la biomasa que cubre el material del filtro. Todo con el fin de eliminar los contaminantes del agua.

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Los filtros percoladores son unidades de tratamiento biológico que dentro del sistema global de tratamiento de aguas residuales tienen la labor de remover la materia orgánica mediante la metabolización de está a cargo de una población bacteriana adherida a un medio filtrante, traduciéndose esto en un efluente con una menor concentración de DBO5 (demanda bioquímica de oxigeno). Donde este efluente continuara la cadena de tratamiento hasta cumplir con las especificaciones técnicas.

CARACTERÍSTICAS DEL FILTRO PERCOLADOR 1. El sistema de filtro percolador plástico se utiliza para tratar aguas negras pre-tratadas con la finalidad de eliminar los microorganismos contaminantes del agua. 2. El filtro está compuesto por:  Un tanque séptico que sirve para asentar los sólidos presentes en el agua.  Un tanque dosificante, el cual permite que los materiales biológicos se sedimenten.  El filtro percolador.  Y un sistema de aplicaciones al suelo (que se encuentra debajo de la superficie del suelo) (campo de absorción).

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3. Está diseñado para procesar entre 25 y 100 galones de aguas negras por pie cuadrado de la superficie del filtro por día (Tasa de carga Orgánica), la cual se mide en libras de la Demanda Biológica de Oxigeno. 4. Según su profundidad para la cama de medio del filtro percolador tienden a variar porque mientras más profundo es el medio de este filtro más será la DBO 5 , es decir, que para un nivel comunitario seria de 3 a 8 pies de profundidad, mientras que para una casa es de 2 a 3 pies de profundidad.

5. Con respecto a la ubicación de la bomba, del filtro percolador, esta debe ser elevada para asegurar que el agua clara circule por este. 6. Para el mantenimiento y buen funcionamiento de este sistema de tratamiento es recomendable seguir las instrucciones indicadas por el fabricante o diseñador.

TIPOS DE FILTROS PERCOLADORES • Entre los Tipos de filtros percoladores tenemos los siguientes:

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1. FILTROS DE BAJA CARGA: Corresponden a Filtros lentos en los cuales el agua hace un sólo paso a través del filtro, con cargas volumétricas bajas, permitiendo además una nitrificación relativamente completa. Este tipo de filtro es seguro y simple de operar. Producen una composición del efluente bastante estable, pero crean problemas de olores y moscas.

2. FILTROS DE ALTA CARGA: Emplean la recirculación para crear una carga hidráulica más homogénea, diluyendo por otra parte la DBO influente. El porcentaje de recirculación puede llegar a 400%. Este sistema de filtración tiene una eficiencia tan buena como la de los filtros de baja tasa, y evita en gran medida el problema de moscas y de olores. 3. FILTROS PERCOLADORES CONVENCIONALES O DE TASA BAJA: Este tipo de unidades se diseña para recibir cargas orgánicas que varían entre y 0.4 kg de DBO5/(día*m3)de volumen del filtro. La carga hidráulica puede fluctuar entre 1.0 y 3.7 m3/(día*m2) de superficie del filtro. En general este tipo de filtro no utiliza recirculación para mantener una carga hidráulica constante. La dosificación de las aguas residuales se hace de manera un poco intermitente y puede presentar problemas de operación durante las horas de la noche cuando el caudal es muy bajo. Si el periodo entre las dosificaciones es muy largo se pueden presentar problemas de secamiento de la bio-película, con lo cual se deteriora bastante la eficiencia del filtro, por lo que se recomienda que estos periodos secos no sean mayores de 1 - 2 horas. El rango de eficiencia en la remoción de DBO5 de este tipo de filtro se encuentra entre el 80 y 90%. Este tipo de filtros se construye normalmente con piedras de canto rodado de 5 y 10 cm de diámetro con

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Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión profundidades que oscilan entre 1.8 y 2.4 metros. En la mayoría de las unidades que cumplen tales características sólo la porción superior del lecho (los primeros 0.8 - 1.5 m) tiene un recubrimiento biológico considerable. Por lo que la parte inferior del filtro puede estar poblado por organismos autótrofos nitrificadores que convierten el amoniaco a nitratos, lográndose así un buen grado de nitrificación en el sistema.

4. FILTROS DE TASA INTERMEDIA: Las cargas hidráulicas y orgánicas que se aplican a los filtros convencionales pueden aumentarse un poco experimentando una reducción significativa de la eficiencia en el proceso de remoción de materia orgánica, encontrándose esta entre el 50 y 70%. En este tipo de unidades la nitrificación se presentar de manera parcial, y en ocasiones se suele inundar el lecho por el excesivo crecimiento biológico el cual obstruye el flujo de agua residual. Esta situación puede remediarse utilizando un medio filtrante de mayor diámetro. Las profundidades del reactor oscilan entre los 1.8 y 2.4 metros. Las cargas orgánicas que se aplican al filtro pueden variar entre 0.24 y 0.48 kg de DBO5/(día*m3), y las cargas hidráulicas entre 3.7 y 9.4 m3/(día*m2), considerando la recirculación, la cual se usa frecuentemente en este tipo de filtros, pero cuya tasa máxima es de 1. 5.5. 5. FILTROS DE TASA ALTA: En este tipo de filtros se incrementan considerablemente las cargas orgánica e hidráulica que se aplican al lecho, con lo cual su eficiencia en la remoción de materia orgánica es más baja comparada a los filtros de tasa baja, encontrándose esta entre el 65 y 85%. Se llega a presentar poca nitrificación en el proceso. Se las suele utilizar como unidades de primera etapa antes de otros procesos biológicos o antes de filtros percoladores de segunda etapa. Las profundidades del lecho son por lo general menores (0.9 – 1.8 m), y siempre se utiliza la recirculación para garantizar una carga hidráulica constante, cuya tasa está entre 1 y 2. Las cargas orgánicas varían entre 0.32 y 1.0 kg DBO5/(día*m3) de lecho y las cargas hidráulicas entre 9.4 y 37.0 m3/ (día*m2). 5.6.

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6. FILTROS DE TASA SUPER ALTA: Con la aparición en el mercado de material filtrante plástico con una alta superficie de o, se comenzó a investigar la posibilidad de incrementar considerablemente las cargas hidráulica y orgánica que se le podían imponer a los filtros biológicos. Además las características físicas del medio filtrante permitían variar las condiciones estructurales de diseño, haciendo posible aumentar la profundidad de los lechos. Como resultado, se tienen en operación unidades a las cuales se les puede aplicar unas cargas orgánicas que varían entre 0.8 y 6.0 kg de DBO5/(día*m3), con cargas hidráulicas entre 14.0 y 84.0 m3/(día*m2). A pesar de presentar mayores cargas orgánicas e hidráulicas, la eficiencia del proceso es equivalente al de los filtros de tasa alta, encontrándose esta entre el 65 y 80%. Además, se llega a presentar poca nitrificación en estas unidades. Este tipo de filtro percolador se puede utilizar para el tratamiento de aguas residuales con altos valores de DBO5 y como unidades de tratamiento preliminar antes de otros procesos biológicos. Pueden diseñarse para profundidades entre 3.0 y 12.0 metros. La tasa de recirculación de este tipo de filtros no varía respecto a los de tasa alta manteniéndose en un rango de 1 a 2.

RECOMENDACIONES SEGÚN R.N.E. (OS.090)  Los filtros percoladores deberán diseñarse de modo que se reduzca al mínimo la utilización de equipo mecánico. Para ello se preferirá las siguientes opciones: lechos de piedra, distribución del efluente primario (tratado en tanques Imhoff) por medio de boquillas o mecanismos de brazo giratorios autopropulsados, sedimentadores secundarios sin mecanismos de barrido (con tolvas de lodos) y retorno del lodo secundario al tratamiento primario.

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 El


tratamiento previo a los filtros percoladores será: cribas, desarenadores y sedimentación primaria.  Los filtros podrán ser de alta o baja carga, para lo cual se tendrán en consideración los siguientes parámetros de diseño:

 En los filtros de baja carga la dosificación debe efectuarse por medio de sifones, con un intervalo de 5 minutos. Para los filtros de alta carga la dosificación es continua por efecto de la recirculación y en caso de usarse sifones, el intervalo de dosificación será inferior de 15 segundos.  Se utilizará cualquier sistema de distribución que garantice la repartición uniforme del efluente primario sobre la superficie del medio de o.  Cuando se usen boquillas fijas, se las ubicará en los vértices de triángulos equiláteros que cubran toda la superficie del filtro. El dimensionamiento de las tuberías dependerá de la distribución, la que puede ser intermitente o continua.  Se permitirá cualquier medio de o que promueva el desarrollo de la mayor cantidad de biopelícula y que permita la libre circulación del líquido y del aire, sin producir obstrucciones. Cuando se utilicen piedras pequeñas, el tamaño mínimo será de 25 mm y el máximo de 75 mm. Para piedras grandes, su tamaño oscilará entre10 y 12 cm.  Se diseñará un sistema de ventilación de modo que exista una circulación natural del aire, por diferencia de temperatura, a través del sistema de drenaje y a través del lecho de o.  El sistema de drenaje debe cumplir con los siguientes objetivos: • proveer un soporte físico al medio de o; • recolectar el líquido, para lo cual el fondo debe tener una pendiente entre 1 y 2%; • permitir una recirculación adecuada de aire.  El sistema de drenaje deberá cumplir con las siguientes recomendaciones: • Los canales de recolección de agua deberán trabajar con un tirante máximo de 50% con relación a su máxima capacidad de conducción, y para tirantes mínimos deberá asegurar velocidades de arrastre.

77 Hidráulica


•

Deben ubicarse pozos de ventilación en los extremos del canal central de ventilación.

DISEÑO DE FILTROS PERCOLADORES • Tanque normalmente cilíndrico( o rectangular), relleno de un material inerte sobre el que se rocía el agua a tratar. Se efectúa una ventilación por tiro natural o forzado para favorecer el aporte del oxígeno necesario para mantener la microflora en un medio aerobio. Sobre el material inerte se forma una película bacteriana o zooglea, que según el espesor puede desarrollar bajo la capa aerobia una capa anaerobia. • Rellenos *Tradicionales: a- Puzolana. b- Coque metalúrgico. c- Piedras silíceas trituradas. *Modernos: a-plástico. • Según la carga volumínica empleada, existen lechos de alta carga y de baja carga, cuyas características residuales urbanas son: Pequeña Carga DBO Dg/m3 d Carga hidráulica m3/m2

0.08 - 0.15 < 0.4

0.7 - 0.8 > 0.7

• Los rendimientos de depuración se ven mejorados por la recirculación, además de obtener las siguientes ventajas añadidas: • Realiza una auto limpieza de filtro. • Siembra las aguas decantadas. • Diluye las aguas con fuerte carga orgánica en caso de lechos de fuerte carga. • Recirculación necesaria. • Carga hidráulica tal que con ella se produce la homogeneización de la flora bacteriana en los distintos niveles. • Auto limpieza del material, subsistiendo sobre el mismo una película activa • No se produce degradación de la materia celular formada • No se produce mineralización (estabilización), precisando así un clarificador para recoger las materias depositadas y enviarlas al tratamiento de fangos. En caso de lechos de baja carga.

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• No

existe auto lavado. • Fango tiende a acumularse en el seno de la masa del lecho. • Limitación del engrosamiento excesivo de la película por acción de los organismos predadores y respiración endógena bacteriana. • Mineralización (estabilización) de fangos. • Posible vertido al emisario sin clarificación final, siempre que se itan vertidos periódicos de fangos estabilizados, o bien se pasan por el clarificador para posteriormente ser desecados. • Relleno. • Los mayores tamaños disminuyen el rendimiento, aunque también el riesgo de obstrucciones. En casos de lechos con relleno tradicional, la granulometría debe ser de 40 a 80 mm • El material debe ser resistente, sobre todo si hay heladas • No se debe emplear piedra caliza sin someterla a ensayo de solidez con sulfato sódico. • Los filtros con relleno plástico son adecuados para alta carga. No suelen necesitar recirculación, como los de relleno tradicional y la estabilización suele ser buena aunque normalmente no es completa, por lo que se debe terminar de estabilizar los fangos producidos

CONSTRUCCIÓN DE FILTROS • Lecho de filtros entre 1,50 y 3 metros de altura • Una altura menor a 1,5 m provoca el peligro de que el líquido residual crudo atraviese la capa sin depurarse • Los filtros suelen ser de forma circular • Los filtros de baja carga se suelen construir para poder ser inundados por partes o totalmente con funciones de limpieza. • Los filtros están normalmente a la intemperie. El funcionamiento del filtro depende del tiro natural que se deje desde la parte inferior de la salida a la parte superior y no es necesario, normalmente, el tiro forzado.

DISTRIBUCIÓN DEL CAUDAL • Depende de la construcción del filtro y de las boquillas que se utilicen • Generalmente se usan filtros circulares con brazos giratorios (entre 2 y 4) • El giro de los brazos se efectúa gracias a la carga hidráulica del agua a filtrar y la pérdida de carga puede oscilar de 45 a 75 cm • Las salidas de líquido suelen estar entre 15 y 20 cm sobre el lecho filtrante

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80 Hidráulica


Esquema de un filtro percolador.

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SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN El distribuidor rotativo en filtro percolador se ha convertido en un elemento estándar del proceso por su fiabilidad y facilidad en el mantenimiento. Este consiste en dos o más brazos montados sobre un pivote en el centro del filtro que giran en el plano horizontal, los brazos son huecos y tiene boquillas por las que se descarga residual sobre el lecho del filtro, el distribuidor puede ser impulsado por un motor eléctrico o por la reacción dinámica del agua residual que descarga por las boquillas. La velocidad de giro variará con el caudal en la unidad accionada por reacción, pero deberá ser del orden de una vuelta cada 10min, o menor en un distribuidor de dos brazos, la distancia entre el fondo del brazo del distribuidor y la parte superior del lecho deberá ser de 15 – 22cm, esto permitirá que le agua residual salga de las boquillas, se extienda y cubra de forma uniforme todo el lecho. Las características más importantes que se debe tener en cuenta al elegir un distribuido son: · Robustez de construcción. · Facilidad de limpieza. · Capacidad de manejar grandes variaciones de caudal manteniendo la adecuada velocidad de giro. · Resistencia a la corrosión. Se puede usar tanques de alimentación de operación intermitente o recirculación para así asegurar que el caudal mínimo será suficiente para hacer girar el distribuidor y descargar el agua residual por las boquillas, puede instalarse distribuidores de 4 brazos con sistemas de vertedero que limita el caudal a dos brazos durante dos caudales mínimos. Una de las características más importantes de un medio filtrante es su resistencia y durabilidad, esta última puede determinarse mediante un ensayo de sulfato de sodio el que se usa para probar la consistencia de los agregados de hormigón. Medios sintéticos para el tratamiento de residuos industriales fuertes se han utilizado con éxito recientemente, estos consisten en láminas de plástico entrelazadas dispuestos como un panal de miel para producir unos medios sumamente porosos y anti obstrucción, este tipo de medio filtrante puede

82 Hidráulica

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión ajustarse a cualquier configuración de filtro, se pueden construir filtros de hasta 6m de profundidad. La elevada capacidad hidráulica y resistencia a obstrucciones de estos medios sintéticos se aprovechan mejor en un filtro de alta carga.

1.

MEDIOS FILTRANTES

El sistema de recogida recibe el agua residual filtrada y los sólidos descargado del medio filtrante y los lleva a un conducto que se prolonga hasta el tanque de sedimentación final, el sistema está compuesto de la solera del filtro del canal de recogida y de los drenes inferiores. Los drenes inferiores están compuestos de bloques de arcilla vitrificada, con las partes superiores granuladas que iten agua residual y soportan el medio filtrante, el cuerpo del bloque consta de dos o tres canales con las partes inferiores curvadas, las que forman los canales de drenaje inferior cuando se extienden de lado a lado y cubren toda la solera del filtro. 2. DRENAJE INFERIOR

83 Hidráulica


3.

VENTILACIÓN

La ventilación normal tiene lugar por gravedad dentro del filtro, al existir generalmente una diferencia de temperatura entre el agua residual y el medio ambiente habrá un proceso de intercambio de caloro dentro del lecho del filtro, el cambio de temperatura del aire dentro del filtro provoca un cambio de densidad y así se establece una corriente de convección, la dirección del flujo depende de las temperaturas relativas del aire y del agua residual, si la temperatura del aire es mayor que la del agua residual el flujo de aire a través del filtro será descendente, si el aire está más frío que le agua, el flujo de aire será ascendente. Los filtros se diseñan de tal forma que todo el medio filtrante pueda inundarse con agua residual y, a continuación, desaguarse sin provocar rebosamiento. La inundación es un método eficaz de lavar el filtro, corregir el estancamiento y controlar la acumulación de las larvas de moscas en el filtro. 4. TANQUES DE SEDIMENTACIÓN Su función es producir un efluente clarificado, todo el fango existente en los tanques de sedimentación de los filtro percoladores es extraído y enviado a las instalaciones de tratamientos de fangos, en el diseño de estos tanques la carga de superficie se basa en le caudal de planta más el de recirculación menos el flujo de sólidos hacia el fondo del tanque, el que con frecuencia es ignorado, la carga superficial a caudal punta no debe exceder los 48m3/día*m2. Ventajas 1. Que permiten profundidades del relleno hasta de 12 m 2. Que se puede llegar a cargas hidráulicas elevadas hasta 2,8 · 10-3 m3/s ·m2

84 Hidráulica


3.

Tienen superficies específicas de hasta 220 m2/m3 de volumen total 4. Existe un riesgo menor de quedar obstruidos por las aguas residuales que arrastran cantidades importantes de sólidos en suspensión 5. Debido a su peso ligero requieren una estructura de soporte más barata. Desventajas 1. Precio comparativamente elevado. 2. Resultan inadecuados para obtener rendimientos en el tratamiento de las aguas residuales relativamente importante al compararlos con los que se consiguen con los métodos normales.

CONCLUSIONES 

Un filtro es una obra y/o estructura la cual su objetivo principal es purificar el agua, a tal grado que pueda ser usado para los fines en específico, los cuales podrían ser para

consumo humano, consumo animal, uso

industrial, uso agrícola; dichos filtros dependiendo la demanda de agua y la población a la cual beneficiara, serán de diferentes envergaduras, y eficiencia distintas, pero siempre cumpliendo con su rol principal la cual es limpiar el agua de agentes que podrían dañar la saludo de la población beneficiada

85 Hidráulica

Universidad nacional José Faustino Sanchez Carrión 



Los filtros de acuerdo a su función se denominan: filtro lento, filtro

rápido, filtro biológico y dentro de ellos tenemos a los filtros percoladores, cada uno es usado en situaciones específicas, especiales, y cumpliendo 

algunas condiciones como por ejemplo la cantidad de población, etc. El filtro lento, como dice su nombre su filtrado del líquido es lento, los microorganismo se quedan atrapado en la capa de arena, para su posterior remoción por retrolavado, este tipo de filtro se recomienda para poblaciones pequeñas, además la eficiencia de dicho filtro decae con forme la temperatura disminuye, es decir en algunas localidades de la



serranía no sería eficiente la construcción de una obra como esta. En el caso del filtro rápido su función es la misma que la del filtro lento, pero con la gran diferencia que este tipo de filtro es de mayor envergadura y su medo filtrante es de mayor dimensión (arena), ambos filtros mencionados pueden contener el mismo caudal, pero la diferencia es que uno limpia mas rápido el agua pero en menor eficiencia en cuanto limpieza del agua.

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