Filtración eficiente del agua

Para Una Mejor Calidad de Vida en las Poblaciones:

Por: Ing. José Luis Bueno

La filtración tiene como propósito principal el de remover o atrapar FILTRO SOLOpartículas suspendidas o Sólidos Suspendidos (SS) que incluyen Turbiedad del agua, óxidos metálicos, partículas orgánicas pero también pueden retenerse Microorganismos.

Mecanismos de Filtración en Medios Granulares:

a.Cernido (Mecánico y / o oportunidad de contacto). Es el más importante sólo o en combinación con otros mecanismos de remoción.

b. Sedimentación

c. Impacto

d. Intercepción

e. Adhesión

f. Floculación

g. Adsorción Química (enlazamiento e Interacción Química)

h. Adsorción Física (Fuerzas Electrostáticas, Electrocinéticas de Van Der Waals)

i. Crecimiento Biológico

LA ARENA.

En 1872 los primeros Filtros Granulares de arena llamados filtros lentos se empezaron a usar en Estados Unidos. Se operaban a una carga o velocidad de filtración de 0.05 gpm/pie2. La capa más superficial del filtro es la que realizaba el trabajo de retención de partículas cuya concentración debería ser menor de 10 UTN (Unidades de Turbiedad Nefelométricas equivalente a las antiguas Unidades Jackson). Los filtros lentos se limpiaban manualmente rastrillando la superficie del filtro .

Los filtros rápidos de arena se caracterizan por una filtración a una profundidad de 15 – 25 cm, así como que pueden ser retrolavados, operan con una carga o velocidad de filtración mayor de 2.0 gpm/pie2.

Filtros Profundos con un sólo Medio de filtración de hasta 1.80 m de profundidad con un tamaño de partícula mayor que el usado en los filtros lentos de arena.

La Antracita:

Los primeros filtros con antracita se construyeron antes filtro-multimediade 1930 la cual se obtenía del drenado de algunos ríos en Pennsylvania. Normalmente la antracita así obtenida se utilizaba tal cual en los filtros, sin embargo en algunos casos se molía y se tamizaba antes de usarla en los filtros.

Después de 1930 se realizaron estudios por el Anthracite Institute y el Pennsylvania State College en los que se demostraron las ventajas de ese tipo de Carbón especialmente seleccionado de acuerdo con la correcta dureza, tamaño y forma por sobre los otros medios filtrantes conocidos especialmente la arena sílica y la arena de cuarzo con los beneficios siguientes :

1.- Corridas de Filtración más largas

2.-Mayores velocidades de Filtración

3.-Menos consumo de agua de lavado

4.-Menor costo de flete

La evaluación de la relación Profundidad del Medio Filtrante (L) al tamaño efectivo del Medio (d), después de décadas de estudio del diseño y desempeño de los filtros se ha encontrado que la clave es la relación L/d con un valor de 1200 .

El desarrollo de una alta área superficial con Media Filtrante de Cerámica y el uso de tecnologías para medir el área superficial presenta una alternativa a la convencional L/d permitiendo media o medios filtrantes menos profundos con más área superficial, mejor desempeño de los filtros y una mejor Unit Filter Run Volumes (UFRV) o corridas de filtración que los filtros de grano fino de los filtros convencionales.

La teoría general establece que con más granos filtrantes y de menor tamaño mejor filtración. Iwasaki (1937) presentó un modelo matemático que entre mayor relación L/d mayor eficiencia en la filtración. Esta teoría fue validada por Wegelin et al (1986).

Esta teoría tiene limitaciones tanto por el tamaño del medio filtrante como por su profundidad , cuando el grano es muy pequeño la pérdida de carga del filtro para su limpieza es impráctica y las corridas de filtración muy cortas debido a la superficie del filtro que se ensucia rápidamente . Por ejemplo para arena de 0.5mm de tamaño y 610 mm de profundidad , la L/d = 1220 el retrolavado puede ser práctico pero la superficie se ensuciará rápidamente . Si se usa arena con una L = 1827 mm y de d = 1.5 mm la L/d = 1218 la calidad puede ser similar a la del filtro con granos finos pero la profundidad puede ser impráctica .

En plantas con clarificación se puede usar un filtro dual con 600 mm de L de 0.9 mm de Tamaño Efectivo (ES, Effective Size) de Antracita sobre o encima de 300 mm de L de 0.5 mm de arena la L/d = 1283 .

La selección de la capa superior de medio filtrante es crítica para obtener UFRV aceptables . El área superficial es uno de los factores preponderantes para una filtración efectiva, su medición (de los receptores o granos) es algo que usualmente no se ha considerado, para ello se usa adsorción con Nitrógeno o con Helio y como referencias de prueba la Antracita o Carbón Activado Granular (CAG o GAC en inglés) .

Los poros de los medios filtrantes se clasifican en tres categorías por su tamaño; Microporos < 2 nm (nanómetros , 1 nm = 10-6 mm) , Mesoporos 2 – 50 nm y

Macroporos > 50 nm [Sing et al. 1985]. El Nitrógeno es ideal para medir poros en el rango de 0.3–300 nm. El Mercurio se usa mejor para porosidades de 300 nm .

Filtros Modernos en el siglo XXI :

1.- Filtros de Arena – Antracita

2.- Filtro Multimedia

3.- Filtros con Zeolita

4.- Filtros de Flujo Cruzado (2009) , CrossFlow MF1.0

Hay dos aspectos a considerar principalmente un retrolavado efectivo con aire – agua y el acondicionamiento efectivo con polímero. Para velocidades de filtración de hasta 15 gpm / pie2 .

Los factores más relevantes para la selección del medio filtrante son :

1. Tamaño de partículas que pueden remover. Esto tiene que ver con la calidad de filtración

2. Capacidad de carga de la turbiedad que puede capturar el filtro. Esto tiene que ver con el tiempo en operación con el que opera el filtro antes de su limpieza o retrolavado así como por el tamaño y porosidad del medio filtrante.

3. La velocidad de filtración depende del tamaño del grano y también del coeficiente de uniformidad, para tamaños grandes se recomienda Cu= 1.1 a 1.4 cuando mucho para evitar la mayor pérdida de carga por finos, también depende de la profundidad del medio si es muy poco profundo en el espesor no se da la filtración a profundidad y el efluente tiende a salir algo mas turbio.

4. La capacidad de retención y filtración se da a profundidad por eso requiere lechos profundos mayores a 0.75 m a mayor tamaño del material y profundidad del lecho mayor retención y filtración a profundidad, al reducir el Cu se evita la filtración superficial y se promueve la filtración a profundidad.

5. Las velocidades de filtración están en función del tamaño del medio filtrante pero también se podría alcanzar con la antracita o con arena de los mismos tamaños, aquí influye la porosidad y la esfericidad del material, con material de tamaño pequeño se mejora la calidad del efluente y se incrementa la colmatación ya sea por adición de algún polímero o coagulante o la turbiedad del agua.

6. En todos los medios filtrantes es conocida la eficiencia de remoción de turbidez la cual es excelente para granos más finos, pero mayor pérdida de carga. Los filtros de grano fino son los que mejor eficiencia logran por encima de los filtros de grano grueso y filtración a profundidad.

7. El uso de materiales con mayor peso especifico incrementa los consumos de agua y potencia necesaria en los retrolavados y esto es para lograr un % de expansión específica o particular del medio filtrante y por lo tanto un lavado apropiado .

8. Los materiales con baja dureza Mohr generan más finos durante los lavados, a mayor velocidad de expansión y turbulencia, mayor formación de finos por la fricción que se produce entre los granos del medio filtrante .

9. La capacidad de adsorción o intercambio es cierta para la Zeolita pero se reduce con el tiempo en particular cuando no se diseña como medio de suavización para lo cual se requeriría regenerar y si no se tiene esta opción entonces la zeolita se comporta como un medio filtrante cualquiera. La zeolita nueva presenta alta capacidad de adsorción, al inicio de la operación y funcionamiento del medio, pero conforme se va saturando y ensuciando se va perdiendo esta propiedad.

10. La zeolita también se ha utilizado como medio para remover fierro y manganeso, para lo cual es necesario la adición continua de cloro u otro oxidante, las características de adsorción permiten mantener buena calidad en el efluente por mejor agarre de los óxidos en el medio, pero incluso esto también se logra con arena y antracita.

28-02-09_111836 retoq11. Se logran máximas cargas y eficiencias de remoción por adición de un polímero al agua para activar la superficie del medio y esto se logra con los lechos mencionados. No es muy práctico la operación a grandes velocidades de filtración ya que se puede romper el floc y salir. A mayores velocidades mayor adición de coagulante y posible incumplimiento de las normas o lo señalado por la FDA (Food and Drug Administration) o SS (Secretaría de Salud)

12. La zeolita se puede utilizar como medio filtrante como se menciona pero el costo es más elevado que la arena y es casi igual a la antracita con la ventaja de esta última que requiere menores cantidades de agua d21-02-09_133021 retoqe lavado a las mismas condiciones.

13. Los mejores filtros son los de capa múltiple, granate, arena y antracita, con estos se logran las mejores eficiencias de filtración en cuanto a remoción de turbiedad por encima de cualquier otro medio y son utilizados en casos muy especiales.

La comparación relativa de cuatro medios filtrantes para agua potable o agua de proceso con respecto a los dos parámetros anteriormente considerados son:

Arena filtra partículas mayores de + 20 micras con una carga base de 1.0 X

Arena – Antracita + 15 1.4 X

Multimedia + 12 1.6 X

Zeolita + 5 2.8 X

Esto significa que los filtros de arena – antracita producen más agua filtrada en un 40% más que los filtros de arena y que los filtros multimedia un 60 % más que los de arena y los de zeolita un 180 % (lo más probable es que este valor sea mucho menor, aprox. un 80 %) más que los de arena.

Filtro CAct en Reynosa  27 01 09 RETOQYa sea que los Filtros Granulares operen bajo presión o a gravedad (abiertos) para un mismo medio de filtración las velocidades de filtración y de retrolavado son básicamente las mismas.

Es importante muestrear periódicamente (AWWA, Octubre de 2011) el lecho filtrante durante la operación de retrolavado y sentir las muestras con las manos para familiarizarse con la consistencia del material. Muestrear a diferentes profundidades, se lavan las muestras con agua limpia y se les analiza la Turbiedad antes y después del Retrolavado, se presentan los resultados en una gráfica. Esto puede servir para determinar la efectividad del retrolavado.Filtro_grava_antes_vegetar_

Consideraciones de la Filtración de Partículas en el Efluente de los Tratamientos Secundarios Biológicos:

a. Variabilidad en la Concentración de Sólidos Suspendidos (SS)

b. Variabilidad en la Turbiedad

c. Variabilidad en el tipo y tamaño de partículas por causas operativas

d. Variabilidad en el tipo y tamaño de partículas por causas de diseño

e. Necesidades de Redundancia

f. Necesidades de continuidad del servicio

Filtros arena en Reynosa 27 01 09 retoq

Tecnologías disponibles para la filtración de micro y nanopartículas:

a) MicroFiltración (MF) Hidrostática ó Diferencial de Vacío para 0.008 – 2 micras. Presión de Operación de 0.07 – 1 bar. De Acrilonitrilo, Polipropileno, Nylon, Teflón, Polisufona Politetrafluoetileno (PVDF). Marcas Dow , Koch, Pall y USFilter.

b) UltraFiltración (UF) Hidrostática o Diferencial de vacío. para 0.005 – 0.2 micras. Presión de Operación de 0.7 a 7 bar. De Poliamidas Aromáticas, Acetato de Celulosa Cerámica, Polipropileno, PVDF, Teflón y Polisulfona. Marcas Dow, Koch, Pall, Hydranautics y Zenon.

c) NanoFiltración (NF) Por Presión Hidrostática. Para 0.001 – 0.01 micras. De Celulosa, poliamida Aomática, Polisulfona y PVDF .

d) NanoFiltración (NF) en Julio de 2012. Con partículas de SiO2 Membrana modificada con Resistencia térmica y hydrophilicity, innovación de China con poly(amidoamine) dendrimer (PAMAM) and trimesoyl chloride (TMCOsmosis Inversa (OI). Por Presión Diferencial Hidrostática. Para 0.0001 – 0.001 micras. De Celulosa , Poliamida Aromática.

e) Diálisis. Por Concentración Diferencial por Difusión con Resina de Intercambio Iónico

f) ElectroDiálisis (ED) Por Fuerza Electromotiva por Intercambio Iónico con Resina de Intercambio Iónico.gotita a&a

Autor: Agua&Ambiente

agua&ambiente es una revista digital mensual y gratuita. Nuestra misión es publicar y difundir información acerca de agua, medio ambiente, cultura ecológica y otros temas relacionados.

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