Filtro de arena

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

Existen tres tipos principales: filtros de arena rápidos (de 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 de manera efectiva, mientras que los filtros de arena lentos pueden producir agua de muy alta calidad con eliminación de patógenos de 90% a >99% (dependiendo de las cepas), sabor y olor sin la necesidad de ayudas químicas. ^[1] Los filtros de arena pueden, además de usarse en plantas de tratamiento de agua, usarse para la purificación de agua en hogares individuales, ya que utilizan materiales que están disponibles para la mayoría de las personas. ^[2]

La historia de las técnicas de separación se remonta a tiempos muy remotos, ya que los materiales filtrantes se utilizaban en épocas antiguas. Se utilizaban juncos y plantas genistas para rellenar los recipientes de tamizado que separaban los materiales sólidos de los líquidos. Los egipcios también utilizaban recipientes de arcilla porosa para filtrar el agua potable, el vino y otros líquidos. ^[3]

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

• Filtros de superficie, donde las partículas se capturan en una superficie permeable.
• Filtros de profundidad, donde las partículas quedan capturadas dentro de un cuerpo poroso de material. ^[4]

Además, existen dispositivos pasivos y activos para provocar la separación sólido-líquido como tanques de sedimentación , filtros de malla autolimpiantes, hidrociclones y centrífugas . ^[4]

Existen varios tipos de filtros de profundidad, algunos emplean material fibroso y otros emplean materiales granulares . Los filtros de lecho de arena son un ejemplo de un filtro de profundidad de medio suelto granular. 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. ^{[5] : 302–303} Además, generalmente se utilizan para purificar el fluido en lugar de capturar los sólidos como un material valioso. Por lo tanto, encuentran la mayoría de sus usos en el tratamiento de efluentes líquidos ( aguas residuales ).

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

• Colisión directa
• Van der Waals o la atracción de fuerza de Londres
• Atracción de carga superficial
• Difusión ^[4]

Además, se puede evitar que las partículas sólidas sean capturadas por repulsión de carga superficial si la carga superficial de la arena es del mismo signo (positivo o negativo) que la de las partículas sólidas. Además, es posible desalojar las partículas capturadas, aunque pueden ser recapturadas 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 partículas sólidas adicionales. Esto puede ocurrir si al adherirse al grano de arena, la partícula pierde carga superficial y se vuelve atractiva para partículas adicionales o lo opuesto y la carga superficial se retiene, repeliendo más partículas del grano de arena.

En algunas aplicaciones es necesario realizar un tratamiento previo del efluente que fluye hacia un lecho de arena para garantizar que se puedan capturar las partículas sólidas. Esto se puede lograr mediante uno de los siguientes métodos:

• Ajuste de la carga superficial de las partículas y la arena modificando el pH
• Coagulación : adición de cationes pequeños y altamente cargados (generalmente se utilizan aluminio 3+ o calcio 2+)
• Floculación : adición de pequeñas cantidades de cadenas de polímeros de carga que forman un puente entre los sólidos particulados (haciéndolos más grandes) o entre los sólidos particulados y la arena.

Pueden funcionar con fluidos que fluyen hacia arriba o hacia abajo, siendo estos últimos mucho más habituales. En el caso de los dispositivos que fluyen hacia abajo, el fluido puede fluir bajo presión o solo por gravedad. Los filtros de lecho de arena a presión suelen utilizarse en aplicaciones industriales y, a menudo, se los denomina filtros de lecho de arena rápidos. Las unidades alimentadas por gravedad se utilizan en la purificación de agua, especialmente agua potable, y estos filtros se han utilizado ampliamente en los países en desarrollo (filtros de arena lentos).

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

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

El esquema 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 un piso de boquillas o sobre un sistema de drenaje que permite que salga el agua filtrada. El agua cruda pretratada ingresa a la cámara de filtrado por la parte superior, fluye a través del medio filtrante y el efluente se drena a través del sistema de drenaje en la parte inferior. Las plantas de procesamiento grandes también tienen un sistema implementado para distribuir uniformemente el agua cruda al filtro. Además, generalmente 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 de granos existe debido al frecuente retrolavado. Los granos con un diámetro más pequeño predominan en la parte superior de la capa de arena, mientras que el grano grueso predomina en las partes inferiores.

Dos procesos que influyen en la funcionalidad de un filtro son la maduración y la regeneración.
Al comienzo de una nueva ejecución del filtro, la eficiencia del filtro aumenta simultáneamente con el número de partículas capturadas en el medio. Este proceso se llama maduración del filtro. Durante la maduración del filtro, el efluente puede no cumplir con los criterios de calidad y debe reinyectarse en pasos anteriores en la planta. ^[6] Los métodos de regeneración permiten la reutilización del medio filtrante. Los sólidos acumulados del lecho filtrante se eliminan. ^[6] 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 delante del proceso de filtrado y las aguas residuales generadas deben desecharse. El tiempo de retrolavado está determinado por el valor de turbidez detrás del filtro, que no debe superar un umbral establecido, o por la pérdida de carga a través del medio filtrante, que tampoco debe superar un valor determinado.

Los granos de arena más pequeños proporcionan una mayor 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. Una solución intermedia es que la mayoría de los filtros de lecho de arena de presión rápida utilizan granos en el rango de 0,6 a 1,2 mm, aunque para aplicaciones especializadas se pueden especificar otros tamaños. Las partículas de alimentación más grandes (>100 micrómetros) tenderán a bloquear los poros del lecho y lo convertirán en un filtro de superficie que se ciega rápidamente. Se pueden utilizar granos de arena más grandes para superar este problema, pero si hay cantidades significativas de sólidos grandes en la alimentación, deben eliminarse antes del filtro de lecho de arena mediante un proceso como la sedimentación. ^{[5] : 302–303}

Se recomienda que la profundidad del lecho de arena sea de 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. ^{[5] : 302–303}

Las directrices sobre el diseño de filtros rápidos de lecho de arena sugieren que deben funcionar con un caudal máximo de 9 m ³ /m ² /h (220 galones estadounidenses/pie ² /h). ^[7] Utilizando el rendimiento requerido y el caudal máximo, se puede calcular el área requerida del lecho.

El último punto clave del diseño es asegurarse de que el fluido se distribuya adecuadamente a lo largo del lecho y que no haya caminos de fluido preferidos donde la arena pueda ser arrastrada y el filtro pueda verse comprometido.

Los filtros de lecho de arena de presión rápida se operan normalmente con una presión de alimentación de 2 a 5 bar(a) (28 a 70 psi(a)). La caída de presión a través de un lecho de arena limpio es normalmente muy baja. Se acumula a medida que se capturan sólidos particulados en el lecho. Los sólidos particulados no se capturan de manera uniforme con la profundidad, se capturan más a mayor altura en el lecho y el gradiente de concentración decae exponencialmente. ^{[5] : 302–303}

Este tipo de filtro captura partículas de tamaños muy pequeños y no tiene un tamaño de corte real por debajo del cual siempre pasarán las partículas. La curva de eficiencia del tamaño de partícula del filtro tiene forma de U, con altas tasas de captura de partículas para las partículas más pequeñas y más grandes, con una caída intermedia para las partículas de tamaño mediano. ^[7]

La acumulación de partículas sólidas provoca un aumento de la pérdida de presión en el lecho para un caudal determinado. En un lecho alimentado por gravedad, cuando la presión disponible es constante, el caudal disminuye. Cuando la pérdida de presión o el caudal son inaceptables y el filtro ya no funciona de forma eficaz, se realiza un retrolavado del lecho para eliminar las partículas acumuladas. En 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 un 30 % aproximadamente (los granos de arena comienzan a mezclarse y, al frotarse, expulsan las partículas sólidas). Las partículas sólidas más pequeñas se eliminan con el fluido de retrolavado y, por lo general, se capturan en un tanque de sedimentación. El caudal de fluido necesario para fluidizar el lecho suele ser de 3 a 10 m3 ^/ m2 ^/ h, pero no se mantiene durante mucho tiempo (unos minutos). ^{[5] : 224–235} Se pueden perder pequeñas cantidades de arena en el proceso de retrolavado y puede ser necesario rellenar el lecho periódicamente.

Como indica el título, la velocidad de filtración se modifica 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 entre 10 y 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 llama raspado y se utiliza para eliminar mecánicamente las partículas secas del filtro. Sin embargo, este proceso también se puede realizar bajo el agua, dependiendo del sistema individual. Otro factor limitante para el agua que se está tratando es la turbidez , que para los filtros de arena lentos se define como 10 NTU (Unidades de turbidez nefelométrica). Los filtros de arena lentos son una buena opción para operaciones con 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.

El filtro de arena de contraflujo continuo o de flujo ascendente es el régimen de funcionamiento más novedoso. La diferencia más clara respecto a los anteriores es que el agua a filtrar se alimenta por la parte inferior y el agua filtrada se obtiene por la parte superior. Este flujo inverso permite integrar el proceso de contraflujo en el proceso de filtración, disminuyendo así la cantidad de agua de enjuague a utilizar y reduciendo el tiempo de limpieza. La carga máxima es de unos 5,4 lps/m2 con una pérdida de carga constante de 0,6 m. ^[8]

Los filtros que tienen diferentes capas de filtrado se denominan filtros de lecho mixto o filtros multimedia. La arena es un material de filtrado común, pero también lo son la antracita, el carbón activado granular (GAC), el granate y la ilmenita. La antracita es un material más duro y tiene menos volátiles en comparación con otros carbones. La ilmenita y el granate son pesados ​​en comparación con la arena. El granate se compone de varios minerales, lo que provoca un color rojo cambiante. La ilmenita es un óxido de hierro y titanio. 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. Pero las capas de filtrado siempre estarán ordenadas por densidad, los compuestos más pesados ​​se asentarán en el fondo, mientras que los más ligeros se ubicarán en la parte superior. Diferentes combinaciones dan una clasificación de filtro diferente y también una porosidad diferente en todo el filtro, lo que se traduce en una caída de presión diferente. Una disposición muy común para estos filtros está compuesta por: antracita en la parte superior, arena y granate, con un soporte de grava en la parte inferior. La profundidad de estos filtros es normalmente de entre 0,6-1 m, por encima de 1 m la caída de presión aumenta bruscamente y por debajo de 0,6 m se reduce el espesor de cada capa filtrante, reduciendo así su eficiencia. El flujo de funcionamiento normal y la caída de presión están entre 3-7 gpm/ft2 y 3-7 psi. Cuando la caída de presión aumenta por encima de 10 psi, se necesita una operación de retrolavado, que consiste en invertir el flujo (el agua sube) para eliminar las partículas atrapadas en el medio filtrante, y esto saldrá por la parte superior del filtro con el agua de retrolavado. Lo común para el retrolavado es alrededor de 3 veces el flujo de filtrado normal (debe ser lo suficientemente alto como para levantar el medio filtrante para eliminar las partículas atrapadas en él). Monomedia es un filtro de una capa, que normalmente consta de arena y hoy en día se ha sustituido por una tecnología más nueva. 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 hay una calidad de agua constante y esto proporciona un tiempo de funcionamiento más prolongado. Los medios duales (de dos capas) suelen contener una capa de arena en la parte inferior y una capa de antracita o GAC en la parte superior. Los medios trimedia o mixtos son filtros con tres capas. Los medios trimedia suelen tener granate o ilmenita en la capa inferior, arena en el medio y antracita en la parte superior.

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 productos químicos.

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

Los filtros de arena se obstruyen con flóculos o se bioobstruyen después de un período de uso. Luego, los filtros de arena lentos se raspan (ver arriba) mientras que los filtros de arena rápidos se lavan a contracorriente o a presión para eliminar los flóculos. Esta agua de contracorriente se lleva a tanques de sedimentación para que los flóculos puedan sedimentarse y luego se elimina como material de desecho. Luego, el agua sobrenadante se devuelve al proceso de tratamiento o se elimina como una corriente de aguas residuales. En algunos países, el lodo se puede utilizar como acondicionador de suelos . El mantenimiento inadecuado de los filtros 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 suspendido residual y las bacterias y proporciona una matriz física para la descomposición bacteriana de material nitrogenado, incluidos el amoníaco y los nitratos , en gas nitrógeno .

Los filtros de arena son uno de los procesos de tratamiento más útiles ya que el proceso de filtrado (especialmente con filtración lenta en arena) combina en sí mismo muchas de las funciones de purificación. ^[9]

Una de las ventajas de los filtros de arena es que son útiles para diferentes aplicaciones. Además, los diferentes tipos de modos de operación: rápido, lento y Upflow, permiten cierta flexibilidad para adaptar el método de filtración a las necesidades y requerimientos de los usuarios. Los filtros de arena permiten una alta eficiencia en la remoción de color y microorganismos, y al ser muy simples, los costos de operación son muy bajos. Además, su simplicidad hace más fácil la automatización de los procesos, requiriendo así una menor intervención humana.

Las principales limitaciones de esta tecnología estarían relacionadas con el colmatado, es decir, la obstrucción del medio filtrante, lo que requiere una cantidad importante de agua para realizar la operación de retrolavado y el uso de productos químicos en el pretratamiento. Además, los filtros de arena lentos suelen requerir mayores áreas de terreno en comparación con los de flujo rápido, especialmente si el agua cruda está altamente contaminada. Sin embargo, a pesar de estas limitaciones, ofrecen muchas más capacidades y es por eso que son ampliamente utilizados en la industria. ^{[10] [11]}

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 retrolavado también reduce el volumen del efluente. Si se debe entregar una cierta cantidad de agua a una comunidad, por ejemplo, se debe tener en cuenta esta pérdida de agua. Además, los desechos del retrolavado deben tratarse o desecharse adecuadamente. Desde la perspectiva química, las diferentes calidades del agua cruda y los cambios en el efecto de la temperatura, ya en la entrada de la planta, en la eficiencia del proceso de tratamiento.

Los modelos utilizados para construir filtros de arena están sujetos a una considerable incertidumbre, debido a que se deben hacer suposiciones matemáticas, como que todos los granos son esféricos. La forma esférica afecta la interpretación del tamaño, ya que el diámetro es diferente para los granos esféricos y no esféricos. La distribución de los granos dentro del lecho también depende de la forma de los granos, lo que a su vez afecta la porosidad y el flujo hidráulico. ^[6]

Los filtros de arena se utilizan en diversos sectores y procesos, donde se requiere una eliminación de gran alcance de la materia en suspensión del agua o de las aguas residuales.

Los sectores en los que se utiliza la filtración de arena incluyen la producción de agua potable, piscinas, lavados de coches, tratamiento de aguas subterráneas, RWZI, mataderos, industria de procesamiento de frutas y verduras, bebidas, industria alimentaria, tratamiento de superficies de metales, …

Producción de agua de refrigeración, preparación de agua potable, prefiltración en tratamientos de carbón activo y sistemas de membranas y filtración de agua de piscinas.

• Eliminación de hierro de las aguas subterráneas mediante aireación y filtración de arena.
• Depuración final de aguas residuales, posterior precipitación y sedimentación de metales, para eliminar trazas residuales de lodos con base metálica.
• Depuración final de las aguas residuales generadas en la producción de hierro, acero y aleaciones no ferrosas. La filtración con arena puede ir precedida de procesos como precipitación/sedimentación, coagulación/floculación/sedimentación y flotación.
• Depuración de aguas residuales que contienen granalla de arena y partículas de pintura, por ejemplo en astilleros.
• También se utiliza como purificación final (o antes de la filtración con carbón activo) para permitir su reutilización.
• Se utiliza en horticultura de invernadero como desinfectante de agua de drenaje (filtro de arena lento).
• Filtración de aguas pluviales se utiliza para filtrar contaminantes de la escorrentía superficial .
• Las aguas residuales proporcionan una matriz física para descomponer compuestos basados ​​en nitrógeno como el amoníaco. ^[12]

• Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas
• Tratamiento de agua
• Purificación de agua
• Filtro de agua Jewell