Filtros de Lecho Profundo y su Retrolavado

Son filtros que se utilizan con uno o varios medios filtrantes que permiten realizar el retrolavado de los mismos en forma periodica segun la caracteristica del agua que se ha filtrado.

¿Qué son los medios filtrantes?

Los hay de muchas clases como la arena sílica, zeolitas, antracitas etc, producen resultados satisfactorios en la filtración de agua, y pueden usarse en una amplia gama de tamaños y de alturas de cama. La selección del tamaño de la partícula y de la altura de cama depende de las condiciones del agua a tratar.

En general, mientras más grueso es un medio filtrante, permite un mayor tiempo de filtrado entre retrolavados. La filtración es función tanto del tamaño del medio filtrante como de la altura de la cama, y la remoción generalmente es mejor con mayores alturas de cama, con menores tamaños de medio filtrante, o con ambos.

En el tratamiento de agua se pueden utilizar filtros de camas simples un solo medio filtrante duales o múltiples.


En las camas duales o múltiples, los medios filtrantes gruesos se colocan en la parte superior y los medios finos en la inferior. Esta colocación se realiza con el objeto de combinar un mayor lapso de filtración con una remoción más fina -característica de un medio fino-. Es necesario seleccionar adecuadamente el rango de tamaños de partícula y la densidad de las distintas capas filtrantes, con el objeto de mantener la posición de las capas -las gruesas arriba y las finas abajo- durante la filtración y después de los retrolavados.

En filtros de camas duales o múltiples que utilizan antracita, el tamaño de esta depende del tamaño y de la densidad de la arena u otro material que se coloque bajo la antracita. Si las partículas de la antracita son demasiado pequeñas, pueden ocasionar pérdidas excesivas durante el mínimo retrolavado requerido para limpiar la arena de manera efectiva. Si las partículas de antracita son demasiado grandes, pueden ocasionar un mezclado excesivo de ambas capas en su interfase.

Granulometría o tamaño de partícula:

El tamaño de los medios filtrantes comúnmente se especifica en términos de tamaño efectivo y de coeficiente de uniformidad o en términos del rango del tamaño de partículas.
Tamaño efectivo de partícula: Es la abertura de la malla por la cual pasa solo el 10% (en peso) de una muestra representativa del material filtrante.
Coeficiente de uniformidad: Es la relación calculada dividiendo la abertura de la malla por la cual pasa un 60% (en peso) de una muestra representativa de un material filtrante entre la abertura de la malla por lo cual pasa solo el 10% (en peso) de la misma muestra.

Propiedades:

Las principales características de los medios filtrantes deben alta dureza y durabilidad. Deben tener una densidad específica, dureza y solubilidad en ácido. Además, deben estar visiblemente libres de partículas ajenas a éstos.

¿Qué son las gravas?

Cuando el tamaño de los orificios del sistema de descarga de agua del filtro es más grande que el de las partículas del medio filtrante, se requiere un sistema de capas de grava de soporte para prevenir que el medio filtrante se escape y tape la salida del filtro. La grava, además ayuda a distribuir al fluido en los retrolavados para que sean más eficientes.

Tamaño:

Antes de la existencia de los distribuidores el acomodo de las gravas de soporte era el siguiente:

A) El tamaño de las partículas de cada capa debe ser lo más uniforme posible, con una relación del tamaño de la partícula mayor entre la menor no mayor de 2.
B) El tamaño de la partícula más pequeña de la capa superior debe ser de 4 a 4.5 veces el tamaño efectivo del medio filtrante más fino a ser retenido.
C) Entre capa y capa de grava, la relación del tamaño (diámetro) de la partícula más grande de la capa inferior entre el de la partícula más chica de la capa superior no debe ser mayor a 4.
D) Las partículas más chicas de la capa de grava base deben ser de 2 a 3 veces el tamaño del orificio del sistema de recolección de salida del líquido.
E) El espesor de cada capa de grava debe ser cuando menos 3 veces el diámetro de la partícula más grande, pero no menor a 3 pulgadas en cualquier caso.

Propiedades:

La grava debe consistir en un material donde una gran porción de las partículas son redondeadas. Estas deben poseer gran dureza y resistencia a la degradación durante el manejo y uso. Deben cumplir con las especificaciones de solubilidad en ácido y dureza. Además, no más de un 25% (en peso) de las partículas podrán tener más de una cara fracturada. Un máximo de 2% (en peso) de las partículas podrán ser planas o alargadas entendiendo por alargada, una partícula cuyo eje mayor sea más de 5 veces el eje menor. Las gravas deben estar visiblemente libres de partículas ajenas como tierra y no deben tener más de 8% (en peso) de finos, ni más de 8% en gruesos.

Instalación de materiales de filtración

Preparación:

A) Limpieza: Cada filtro debe estar completamente vacío y limpio antes de colocar cualquier material.
B) Marcar cada capa: Antes de colocar cualquier material, debe marcarse el nivel superior de cada capa en el interior del filtro.
C) Almacenamiento del material: Debe mantenerse limpio, en un lugar techado, seco y sobre una tarima para prevenir cualquier tipo de contaminación durante el almacenamiento.

Instalación:

A) Cuidados al instalar el material: La primer capa de grava debe colocarse cuidadosamente para evitar daños al sistema de descarga de agua del filtro. Para grava menor a 1/2 pulgada, el instalador no debe pararse ni caminar directamente sobre el material, para evitar desplazarlo.
B) Colocación de las capas: Cada capa debe estar completa antes de empezar a colocar la siguiente, y debe tener un espesor uniforme. Al colocarse una nueva capa debe ponerse con cuidado para no desplazar la anterior. 
C) Nivel superior de las capas: Debe verificarse el nivel superior de cada capa, llenando con agua hasta la marca del límite superior -previamente establecida en el interior del filtro-.
D) Lavado: Después de colocar todas las capas, el filtro debe retrolavarse por 5 minutos al flujo máximo disponible, siempre y cuando éste no pase de 25 GPM/ft de superficie filtrante. 

Preparación del filtro para servicio

Lavado:

A) Lavado inicial: Después de que todos los materiales se hayan colocado, se introduce agua lentamente de abajo hacia arriba hasta inundar completamente la cama. La cama se deja por más de 12 horas con el objeto de saturar de agua a todos los poros e intersticios. Posteriormente se incrementa gradualmente el flujo de agua para eliminar completamente el aire de la cama.
B) Flujo de retrolavado: Durante cada retrolavado, el agua debe aplicarse en un flujo inicial de no más de 2 GPM/ft de área filtrante. Posteriormente el flujo debe incrementarse de forma gradual en un período de 3 minutos, hasta alcanzar el máximo flujo. Hay que mantenerlo a este máximo durante más de 5 minutos. 

¿Qué es el retrolavado?

El retrolavado es la operación de mantenimiento más importante para el correcto desempeño de los filtros y de la cama con un medio granular, que puede ser de carbón activado, arena, zeolita, resina de intercambio iónico o lechos multimedia. Existen razones importantes, y no siempre detectables a simple vista, por las que es necesario retrolavar las camas granulares. Entre ellas, las principales pueden ser:

  • Eliminar los sólidos retenidos entre los gránulos del medio. La cantidad de estos sólidos dependerá de la concentración de sólidos suspendidos en el agua que se trata, de la distribución de tamaño de los mismos (las camas de medios granulares retienen sólidos a partir de cierto tamaño) y del volumen de agua tratada desde el último retrolavado.
  • Eliminar biomasa excesiva. Ésta se genera en todas las camas de carbón activado. Conforme las bacterias se reproducen, van tapando la cama, al igual que lo hacen los sólidos retenidos.
  • Eliminar burbujas que se forman debido a cambios de temperatura, o por atrapamiento de aire, y que se atoran en la cama cuando el adsorbedor opera con flujo descendente. Las burbujas obstruyen la parte de la cama en la que se encuentran, y causan la canalización del flujo.
  • Evitar la cementación o petrificación de la cama. Ésta se debe a la presencia en el agua de ciertas sustancias que pegan unas partículas con otras. Ejemplo de algunas de ellas son el carbonato de calcio, la biomasa y cierta materia orgánica natural. Este fenómeno ocurre en casi todos los adsorbedores, especialmente en los de flujo descendente, en los que este problema se acentúa debido a la presión que ejerce agua en la cama.
  • Si no se descompacta la cama con cierta frecuencia, llega el momento en el que ésta se petrifica y después se quiebra, provocando así, la canalización del flujo a través de las grietas. Cuando esto sucede, en el efluente aparece de pronto el contaminante que se estaba reteniendo, aparentando una saturación prematura de la cama.

El concepto básico de un retrolavado

En esencia, un buen retrolavado es aquel en el que se logran dos cosas: expandir la cama un 30 a 40%, y estratificar las partículas al finalizar la operación. Para lograr lo primero, es necesario cerciorarse de que la cama se expanda. Si no se hace la verificación, se corre el riesgo de no lograr expandir la cama, o de que el medio filtrante sea arrastrado hacia afuera del adsorbedor.

Cuando el retrolavado se efectúa correctamente, al expandirse la cama, las partículas se mueven hacia arriba y hacia abajo, restregándose entre sí, y logrando de esta manera una mejor y más rápida limpieza de su superficie.

Para evitar posibles pérdidas del medio granular en caso de un retrolavado excesivamente fuerte, se coloca una malla que lo capte a la descarga de la línea por la que sale el agua de esta operación y se vigila que no salga. También hay que observar el agua que sale del retrolavado ya que, cuando ésta sale libre de partículas y de turbiedad, el medio filtrante ha quedado limpio (libre de las partículas que estaban suspendidas en el agua y que quedaron atrapadas en la cama filtrante) y el retrolavado ha hecho su función.En cuanto a la estratificación, ésta consiste en que al terminar de retrolavar, las partículas más grandes o más densas queden en la parte inferior de la cama, y las más pequeñas o menos densas queden en la parte superior. La estratificación es conveniente ya que al mantener el nivel relativo de las partículas dentro de la cama, ésta se va saturando de manera ordenada. 

Frecuencia de los retrolavados

La frecuencia con la que se retrolavan los adsorbedores se determina con base en uno de los dos siguientes parámetros: una máxima caída de presión permisible o un intervalo de tiempo definido.

El primer caso corresponde a equipos cuya cama se obstruye con relativa rapidez. Por ejemplo: Filtros-adsorbedores. Son adsorbedores que no se encuentran precedidos por un filtro y que tratan agua con una cantidad relevante de sólidos suspendidos. Esto es típico en plantas municipales de potabilización que cambian las camas de arena de filtros existentes. De esta manera, además de filtrar el agua, se retiene algún contaminante adicional como olor y sabor, y sin la necesidad de cambiar el equipo. El tamaño de partícula no se escoge buscando minimizar el requerimiento de retrolavados, sino el obtener un efluente cuya turbidez o contenido de sólidos suspendidos totales cumpla con una especificación. Adsorbedores con una fuerte actividad biológica, y que por lo tanto generan una gran cantidad de biomasa.


En los casos anteriores, mientras menor es el tamaño de partícula, mayor es la rapidez con la que se obstruye la cama. Si se trata de adsorbedores de flujo a presión, el retrolavado suele llevarse a cabo cuando la caída de presión alcanza 0.5 a 0.7 Kg/cm2.

Cuando un adsorbedor se obstruye con relativa lentitud, la caída de presión deja de ser la señal más adecuada para realizar el siguiente retrolavado. Entonces se hace necesario definir un período de tiempo entre uno y otro retrolavado, tal que se evite la cementación de la cama o el atrapamiento excesivo de burbujas. Esto se realiza con base en la observación y en la experiencia. Sin embargo, como mínimo, hay que retrolavar una vez por semana.

Cuando el flujo es insuficiente para expandir la cama

El flujo de retrolavado suele ser 4 a 15 veces mayor que el del ciclo de adsorción, dependiendo de la densidad aparente y del tamaño de partícula del medio granular. En ocasiones no se cuenta con la bomba necesaria para desplazar el flujo requerido para expandir la cama. También puede suceder que el abastecimiento de agua sea insuficiente. En estos casos, una alternativa que permite efectuar un retrolavado efectivo sin la necesidad de expandir la cama, consiste en alimentar aire comprimido a través de un distribuidor.

El agua de retrolavado es insuficiente para expandir la cama, ya que suele ser igual que el flujo del ciclo de adsorción. El aire promueve una turbulencia tal que remueve las partículas, y el agua acarrea los sólidos suspendidos.

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