Filtro de arena - Sand filter

Filtro de arena utilizado para el tratamiento del agua.

Los filtros de arena se utilizan como un paso en el proceso de tratamiento de agua de purificación de agua .

Hay tres tipos principales; filtros de arena rápidos (por gravedad) , filtros de arena de flujo ascendente y filtros de arena lentos . Los tres métodos se utilizan ampliamente en la industria del agua en todo el mundo. Los dos primeros requieren el uso de productos químicos floculantes para funcionar eficazmente, mientras que los filtros de arena lentos pueden producir agua de muy alta calidad con eliminación de patógenos del 90% al> 99% (dependiendo de las cepas), sabor y olor sin necesidad de ayudas químicas. Los filtros de arena pueden, además de usarse en plantas de tratamiento de agua, usarse para la purificación de agua en hogares singulares, ya que usan materiales que están disponibles para la mayoría de las personas.

Historia

La historia de las técnicas de separación se remonta a mucho tiempo atrás, ya que los materiales filtrantes ya se usaban durante los períodos antiguos. Se utilizaron juncos y plantas genistas para llenar los vasos de cribado que separaban los materiales sólidos y líquidos. Los egipcios también usaban vasijas de arcilla porosa para filtrar el agua potable, el vino y otros líquidos.

Concepto de filtración en lecho de arena

Filtros de arena en una granja de tomates en California

Un filtro de lecho de arena es una especie de filtro de profundidad . En términos generales, existen dos tipos de filtros para separar partículas sólidas de fluidos:

  • Filtros de superficie, donde las partículas se capturan en una superficie permeable.
  • Filtros de profundidad, donde las partículas se capturan dentro de un cuerpo de material poroso.

Además, existen dispositivos pasivos y activos para provocar la separación sólido-líquido, como tanques de sedimentación , filtros de pantalla autolimpiables, hidrociclones y centrifugadoras .

Hay varios tipos de filtros de profundidad, algunos emplean material fibroso y otros emplean materiales granulares . Los filtros de lecho de arena son un ejemplo de un filtro de profundidad de medios sueltos granulares. Por lo general, se utilizan para separar pequeñas cantidades (<10 partes por millón o <10 g por metro cúbico) de sólidos finos (<100 micrómetros) de soluciones acuosas. Además, generalmente se utilizan para purificar el fluido en lugar de capturar los sólidos como un material valioso. Por lo tanto, encuentran la mayoría de sus usos en el tratamiento de efluentes líquidos ( aguas residuales ).

Mecanismos de captura de partículas sólidas

Los filtros de lecho de arena funcionan proporcionando a los sólidos particulados muchas oportunidades para ser capturados en la superficie de un grano de arena. A medida que el fluido fluye a través de la arena porosa a lo largo de una ruta tortuosa, las partículas se acercan a los granos de arena. Pueden ser capturados por uno de varios mecanismos:

Además, se puede evitar que los sólidos particulados sean capturados por repulsión de carga superficial si la carga superficial de la arena es del mismo signo (positivo o negativo) que la del sólido particulado. Además, es posible desalojar las partículas capturadas, aunque se pueden volver a capturar a una mayor profundidad dentro del lecho. Finalmente, un grano de arena que ya está contaminado con partículas sólidas puede volverse más atractivo o repeler la adición de partículas sólidas. Esto puede ocurrir si al adherirse al grano de arena, las partículas pierden carga superficial y se vuelven atractivas para partículas adicionales o al contrario y la carga superficial se retiene repelendo más partículas del grano de arena.

En algunas aplicaciones, es necesario pretratar el efluente que fluye hacia un lecho de arena para garantizar que se puedan capturar las partículas sólidas. Esto se puede lograr mediante uno de varios métodos:

  • Ajustar la carga superficial de las partículas y la arena cambiando el pH
  • Coagulación : adición de cationes pequeños y muy cargados (generalmente se usan aluminio 3+ o calcio 2+)
  • Floculación : agregar pequeñas cantidades de cadenas de polímero de carga que forman un puente entre los sólidos particulados (haciéndolos más grandes) o entre los sólidos particulados y la arena.

Regímenes operativos

Pueden funcionar con fluidos que fluyen hacia arriba o fluidos que fluyen hacia abajo, siendo este último mucho más habitual. Para los dispositivos que fluyen hacia abajo, el fluido puede fluir bajo presión o solo por gravedad. Los filtros de lecho de arena a presión tienden a utilizarse en aplicaciones industriales y, a menudo, se denominan filtros rápidos de lecho de arena. Las unidades alimentadas por gravedad se utilizan en la purificación de agua, especialmente en el agua potable, y estos filtros han encontrado un amplio uso en los países en desarrollo (filtros lentos de arena).

En general, existen varias categorías de filtros de lecho de arena:

  • filtros de arena rápidos (por gravedad)
  • filtros rápidos de lecho de arena (presión)
  • filtros de arena de flujo ascendente
  • filtros de arena lentos

El boceto ilustra la estructura general de un filtro de arena de presión rápida. La arena del filtro ocupa la mayor parte del espacio de la cámara. Se asienta sobre el piso de una boquilla o sobre un sistema de drenaje que permite que salga el agua filtrada. El agua cruda pretratada ingresa a la cámara de filtración en la parte superior, fluye a través del medio filtrante y el efluente se drena por el sistema de drenaje en la parte inferior. Las grandes plantas de proceso también tienen implementado un sistema para distribuir uniformemente el agua cruda al filtro. Además, normalmente se incluye un sistema de distribución que controla el flujo de aire. Permite una distribución constante de aire y agua y evita flujos de agua demasiado altos en áreas específicas. Una distribución típica del grano sale debido al frecuente lavado a contracorriente. Los granos de menor diámetro dominan en la parte superior de la capa de arena mientras que el grano grueso domina en las partes inferiores.

Dos procesos que influyen en la funcionalidad de un filtro son la maduración y la regeneración.
Al comienzo de un nuevo ciclo de filtrado, la eficiencia del filtro aumenta simultáneamente con el número de partículas capturadas en el medio. Este proceso se llama maduración por filtración. Durante la maduración del filtro, el efluente puede no cumplir con los criterios de calidad y debe ser reinyectado en pasos previos en la planta. Los métodos de regeneración permiten la reutilización del medio filtrante. Se eliminan los sólidos acumulados del lecho del filtro. Durante el retrolavado , el agua (y el aire) se bombea hacia atrás a través del sistema de filtrado. El agua de retrolavado puede reinyectarse parcialmente frente al proceso de filtrado y las aguas residuales generadas deben desecharse. El tiempo de retrolavado está determinado por el valor de turbidez detrás del filtro, que no debe exceder un umbral establecido, o por la pérdida de carga a través del medio filtrante, que tampoco debe exceder un cierto valor.

Diseño de filtro de lecho de arena de presión rápida

Filtro de presión rápida 1 = agua cruda, 2 = agua filtrada, 3 = tanque, 4 = agua de lavado de entrada, 5 = agua de lavado de salida, 6 = línea de retracción, 7 = aire de barrido, 8 = inyector, 9 = capa de soporte, 10 = arena filtrante, 11 = embudo de lavado, 12 = ventilación

Los granos de arena más pequeños proporcionan más área de superficie y, por lo tanto, una mayor descontaminación del agua de entrada, pero también requieren más energía de bombeo para impulsar el fluido a través del lecho. Un compromiso es que la mayoría de los filtros de lecho de arena de presión rápida utilizan granos en el rango de 0,6 a 1,2 mm, aunque para aplicaciones especializadas se pueden especificar otros tamaños. Las partículas de alimentación más grandes (> 100 micrómetros) tenderán a bloquear los poros del lecho y convertirlo en un filtro de superficie que ciega rápidamente. Se pueden usar granos de arena más grandes para superar este problema, pero si hay cantidades significativas de sólidos grandes en la alimentación, deben eliminarse aguas arriba del filtro de lecho de arena mediante un proceso como la sedimentación.

Se recomienda que la profundidad del lecho de arena sea de alrededor de 0,6 a 1,8 m (2 a 6 pies) independientemente de la aplicación. Esto está relacionado con el rendimiento máximo que se analiza a continuación.

Las pautas sobre el diseño de filtros rápidos de lecho de arena sugieren que se deben operar con un caudal máximo de 9 m 3 / m 2 / h (220 gal EE.UU. / pie 2 / h). Utilizando el rendimiento requerido y el caudal máximo, se puede calcular el área requerida del lecho.

El último punto clave del diseño es asegurarse de que el fluido se distribuya correctamente a través del lecho y que no haya rutas de fluido preferidas donde la arena se pueda lavar y el filtro se vea comprometido.

Los filtros de lecho de arena de presión rápida se operan típicamente con una presión de alimentación de 2 a 5 bar (a) (28 a 70 psi (a)). La caída de presión en un lecho de arena limpia suele ser muy baja. Se acumula a medida que se capturan partículas sólidas en el lecho. Los sólidos particulados no se capturan uniformemente con la profundidad, se capturan más en la parte superior del lecho con el gradiente de concentración que decae exponencialmente.

Este tipo de filtro captura partículas de tamaños muy pequeños y no tiene un tamaño de corte real por debajo del cual las partículas siempre pasarán. La forma de la curva de eficiencia de tamaño de partículas del filtro es una forma de U con altas tasas de captura de partículas para las partículas más pequeñas y más grandes con una inmersión en el medio para las partículas de tamaño medio.

La acumulación de partículas sólidas provoca un aumento en la pérdida de presión a través del lecho para un caudal determinado. Para un lecho alimentado por gravedad cuando la presión disponible es constante, el caudal caerá. Cuando la pérdida de presión o el flujo son inaceptables y el filtro ya no funciona con eficacia, el lecho se lava a contracorriente para eliminar las partículas acumuladas. Para un filtro de lecho de arena rápido presurizado, esto ocurre cuando la caída de presión es de alrededor de 0,5 bar. El fluido de retrolavado se bombea hacia atrás a través del lecho hasta que se fluidiza y se expande hasta aproximadamente un 30% (los granos de arena comienzan a mezclarse y, a medida que se frotan, eliminan las partículas sólidas). Las partículas sólidas más pequeñas se lavan con el fluido de retrolavado y generalmente se capturan en un tanque de sedimentación. El flujo de fluido requerido para fluidizar el lecho es típicamente de 3 a 10 m 3 / m 2 / h, pero no funciona durante mucho tiempo (unos pocos minutos). Se pueden perder pequeñas cantidades de arena en el proceso de retrolavado y es posible que sea necesario rellenar el lecho periódicamente.

Diseño de filtro de arena lento

Como indica el título, la velocidad de filtración cambia en el filtro de arena lento , sin embargo, la mayor diferencia entre el filtro de arena lento y rápido es que la capa superior de arena es biológicamente activa, ya que las comunidades microbianas se introducen en el sistema. La profundidad recomendada y habitual del filtro es de 0,9 a 1,5 metros. La capa microbiana se forma dentro de los 10 a 20 días desde el inicio de la operación. Durante el proceso de filtración, el agua cruda puede filtrarse a través del medio de arena porosa, deteniendo y atrapando material orgánico, bacterias, virus y quistes como Giardia y Cryptosporidium . El procedimiento de regeneración de los filtros de arena lentos se denomina raspado y se utiliza para eliminar mecánicamente las partículas secas del filtro. Sin embargo, este proceso también se puede realizar bajo el agua, dependiendo del sistema individual. Otro factor limitante para el agua que se está tratando es la turbidez , que es para los filtros de arena lentos definidos en 10 NTU (Unidades de Turbidez Nefelométrica). Los filtros de arena lentos son una buena opción para operaciones de presupuesto limitado, ya que la filtración no utiliza ningún producto químico y requiere poca o ninguna asistencia mecánica. Sin embargo, debido al continuo crecimiento de la población en las comunidades, los filtros de arena lentos están siendo reemplazados por filtros de arena rápidos, principalmente debido a la duración del período de funcionamiento.

Características de los filtros de arena rápidos y lentos

Caracteristicas Filtro de arena rápido Filtro de arena lento
Tasa de filtración [m / h] 5-15 0,08-0,25
Tamaño efectivo del medio [mm] 0,5-1,2 0,15-0,30
Profundidad del lecho [m] 0,6–1,9 0,9-1,5
Longitud de ejecución 1 a 4 días 1 a 6 meses
Periodo de maduración 15 min - 2 h Varios dias
Método de regeneración Lavado a contracorriente Raspado
Turbidez máxima del agua cruda Ilimitado con un tratamiento previo adecuado 10 NTU

Filtros de lecho mixto

Los filtros se pueden construir con diferentes capas, llamadas filtros de lecho mixto. La arena es un material de filtro común, pero la antracita, el carbón activado granular (GAC), el granate y la ilmenita también son materiales de filtro comunes. La antracita es un material más duro y menos volátil en comparación con otros carbones. La ilmenita y el granate son pesados ​​en comparación con la arena. El granate consta de varios minerales, lo que provoca un cambio de color rojo. La ilmenita es un óxido de hierro y titanio. El GAC se puede utilizar en el proceso de adsorción y filtración al mismo tiempo. Estos materiales se pueden utilizar tanto solos como combinados con otros medios. Diferentes combinaciones dan una clasificación de filtro diferente. Monomedia es un filtro de una capa, comúnmente compuesto de arena y hoy en día se reemplaza por tecnología más nueva. La monomedia de lecho profundo también es un filtro de una capa que consta de antracita o GAC. El filtro monomedia de lecho profundo se utiliza cuando la calidad del agua es constante y esto proporciona un tiempo de funcionamiento más prolongado. Los medios duales (dos capas) a menudo contienen una capa de arena en la parte inferior con una capa de antracita o GAC en la parte superior. Trimedia o medios mixtos es un filtro con tres capas. Los trimedia suelen tener granate o ilmenita en la capa inferior, arena en el medio y antracita en la parte superior.

Usos en el tratamiento de aguas.

Todos estos métodos se utilizan ampliamente en la industria del agua en todo el mundo. Los tres primeros de la lista anterior requieren el uso de productos químicos floculantes para funcionar de manera eficaz. Los filtros de arena lentos producen agua de alta calidad sin el uso de ayudas químicas.

Al pasar el agua floculada a través de un filtro de arena de gravedad rápida, se filtra el flóculo y las partículas atrapadas en él, lo que reduce el número de bacterias y elimina la mayoría de los sólidos. El medio del filtro es arena de diferentes grados. Cuando el sabor y el olor pueden ser un problema (impactos organolépticos), el filtro de arena puede incluir una capa de carbón activado para eliminar dicho sabor y olor.

Los filtros de arena se obstruyen con flóculos o se bioabsorben después de un período de uso. Luego se raspan los filtros de arena lentos (ver arriba) mientras que los filtros de arena rápidos se lavan a contracorriente o se lavan a presión para eliminar el flóculo. Esta agua de retrolavado se vierte en tanques de sedimentación para que el flóculo pueda sedimentar y luego se deseche como material de desecho. El agua sobrenadante se vuelve a introducir en el proceso de tratamiento o se elimina como una corriente de aguas residuales. En algunos países, el lodo se puede utilizar como acondicionador del suelo . El mantenimiento inadecuado del filtro ha sido la causa de la contaminación ocasional del agua potable.

Los filtros de arena se utilizan ocasionalmente en el tratamiento de aguas residuales como etapa final de pulido. En estos filtros, la arena atrapa el material residual en suspensión y las bacterias y proporciona una matriz física para la descomposición bacteriana del material nitrogenado, incluidos el amoníaco y los nitratos , en nitrógeno gaseoso.

Los filtros de arena son uno de los procesos de tratamiento más útiles ya que el proceso de filtrado (especialmente con la filtración lenta de arena) combina en sí mismo muchas de las funciones de purificación.

Desafíos en el proceso de solicitud

En el proceso de tratamiento del agua, se deben tener en cuenta ciertos factores que pueden causar problemas graves si no se tratan adecuadamente. Los procesos antes mencionados, como la maduración del filtro y el retrolavado, influyen no solo en la calidad del agua, sino también en el tiempo necesario para el tratamiento completo. El lavado a contracorriente reduce también el volumen del efluente. Si se debe entregar una cierta cantidad de agua, por ejemplo, a una comunidad, se debe considerar esta pérdida de agua. Además, los residuos del retrolavado deben tratarse o desecharse adecuadamente. Desde el punto de vista químico, la variación de las calidades del agua cruda y los cambios en la temperatura afectan, ya a la entrada de la planta, la eficiencia del proceso de tratamiento.

Existe una incertidumbre considerable con respecto a los modelos utilizados para construir filtros de arena. Esto se debe a suposiciones matemáticas que deben hacerse, como que todos los granos son esféricos. La forma esférica afecta la interpretación del tamaño ya que el diámetro es diferente para granos esféricos y no esféricos. El empaque de los granos dentro del lecho también depende de la forma de los granos. Esto luego afecta la porosidad y el flujo hidráulico.

Ver también

Referencias