Regímenes de funcionamiento
Pueden funcionar con fluidos ascendentes o descendentes, siendo estos últimos mucho más habituales. En el caso de los dispositivos de flujo descendente, el fluido puede fluir a presión o sólo por gravedad. Los filtros de lecho de arena a presión suelen utilizarse en aplicaciones industriales y suelen denominarse filtros de lecho de arena rápidos. Las unidades alimentadas por gravedad se utilizan en la purificación del agua, especialmente del agua potable, y estos filtros han encontrado un amplio uso en los países en desarrollo (filtros de arena lentos).
En general, hay varias categorías de filtros de lecho de arena:.
El esquema ilustra la estructura general de un filtro de arena de presión rápido. La arena del filtro ocupa la mayor parte del espacio de la cámara. Se asienta sobre un suelo de boquillas o sobre un sistema de drenaje que permite la salida del agua filtrada. El agua bruta pretratada entra en 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 grandes plantas de proceso tienen también un sistema implementado para distribuir uniformemente el agua bruta al filtro. Además, suele incluirse un sistema de distribución que controla el flujo de aire. Este sistema permite una distribución constante del aire y del agua y evita caudales de agua demasiado elevados en zonas específicas. Una distribución típica de los granos sale debido al retrolavado frecuente. Los granos de menor diámetro predominan en la parte superior de la capa de arena, mientras que los granos gruesos dominan en las partes inferiores.
Dos procesos que influyen en la funcionalidad de un filtro son la maduración y la regeneración.
Al principio de un nuevo funcionamiento del filtro, la eficacia del filtro aumenta simultáneamente con el número de partículas capturadas en el medio. Este proceso se denomina maduración del filtro. Durante la maduración del filtro, el efluente puede no cumplir con los criterios de calidad y debe ser reinyectado en pasos anteriores de la planta.[6] Los métodos de regeneración permiten la reutilización del medio filtrante. Se eliminan los sólidos acumulados en el lecho filtrante.[6] Durante el retrolavado, el agua (y el aire) se bombea hacia atrás a través del sistema de filtrado. El agua de retrolavado puede ser parcialmente reinyectada delante del proceso de filtrado y las aguas residuales generadas deben ser desechadas. El tiempo de retrolavado viene 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 más superficie y, por 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 pueden especificarse 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 decantación:[5] 302-303.
Se recomienda que la profundidad del lecho de arena sea de unos 0,6-1,8 m, independientemente de la aplicación. Esto está relacionado con el rendimiento máximo que se comenta a continuación.[5].
Las orientaciones sobre el diseño de los filtros de lecho de arena rápidos sugieren que deben funcionar con un caudal máximo de 9 m/m/hora.[7] A partir del caudal necesario y del flujo máximo, se puede calcular la superficie necesaria del lecho.
El último punto clave del diseño es asegurarse de que el fluido se distribuya correctamente por el lecho y que no haya caminos preferentes para el fluido en los que la arena pueda ser arrastrada y el filtro se vea comprometido.
Los filtros de lecho de arena de presión rápida suelen funcionar 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 suele ser muy baja. Aumenta a medida que se capturan las partículas sólidas en el lecho. Las partículas sólidas no se capturan de manera uniforme con la profundidad, sino que se capturan más en la parte superior del lecho y el gradiente de concentración decae exponencialmente.[5].
Este tipo de filtro captura partículas hasta tamaños muy pequeños y no tiene un tamaño de corte real por debajo del cual las partículas siempre pasan. La forma de la curva de eficiencia del tamaño de las 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 caída en el medio para las partículas de tamaño medio.[7]
La acumulación de partículas sólidas provoca un aumento de la presión perdida a través del 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 deja de funcionar eficazmente, el lecho se lava a contracorriente para eliminar las partículas acumuladas. En el caso de un filtro de lecho de arena rápido presurizado, esto ocurre cuando la pérdida de presión es de unos 0,5 bares. El fluido de retrolavado se bombea hacia atrás a través del lecho hasta que se fluidifica y se expande hasta un 30% (los granos de arena empiezan a mezclarse y, al frotarse, expulsan las partículas sólidas). Las partículas sólidas más pequeñas se eliminan con el fluido de retrolavado y se capturan normalmente en un tanque de sedimentación. El flujo de fluido requerido para fluidizar el lecho es típicamente de 3 a 10 m/m/hr pero no se ejecuta por mucho tiempo (unos pocos minutos).[5] 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 el rápido, es que la capa superior de arena es biológicamente activa, ya que se introducen comunidades microbianas en el sistema. La profundidad recomendada y habitual del filtro es de 0,9 a 1,5 metros. La capa microbiana se forma en un plazo de 10 a 20 días desde el inicio de la operación. Durante el proceso de filtración, el agua bruta puede filtrarse a través del medio de arena porosa, deteniendo y atrapando la materia orgánica, las bacterias, los virus y los 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 puede realizarse bajo el agua, dependiendo de cada sistema. Otro factor limitante para el agua a tratar es la turbidez, que para los filtros lentos de arena se define como 10 NTU (Unidades de Turbidez Nefelométrica). Los filtros lentos de arena son una buena opción para las 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 sustituidos por filtros de arena rápidos, sobre todo debido a la duración del período de funcionamiento.
El filtro de arena de retrolavado continuo o de flujo ascendente es el régimen de funcionamiento más novedoso. La diferencia más clara con respecto a los anteriores, es que el agua a filtrar se alimenta desde el fondo y el agua filtrada se obtiene en la parte superior. Este flujo inverso permite integrar el proceso de lavado a contracorriente en el proceso de filtración, con lo que se disminuye la cantidad de agua de lavado a utilizar y se reduce el tiempo de limpieza. La carga máxima es de unos 5,4 lps/m con una pérdida de carga constante de 0,6 m.[8].
Los filtros que tienen diferentes capas filtrantes se denominan filtros de lecho mixto o filtros multimedia. La arena es un material filtrante común, pero la antracita, el carbón activado granular (CAG), el granate y la ilmenita también son materiales filtrantes habituales. La antracita es un material más duro y menos volátil que otros carbones. La ilmenita y el granate son más pesados que la arena. El granate está formado por varios minerales, lo que provoca un color rojo cambiante. La ilmenita es un óxido de hierro y titanio. El CAG puede utilizarse en el proceso de adsorción y filtración al mismo tiempo. Estos materiales pueden utilizarse tanto solos como combinados con otros medios. Pero las capas filtrantes siempre se ordenarán por densidad, los compuestos más pesados se asentarán en el fondo, mientras que los más ligeros se situarán en la parte superior. Las diferentes combinaciones dan una clasificación diferente del filtro 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 es la compuesta por: antracita en la parte superior, arena y granate, con un soporte de grava en el fondo. La profundidad de estos filtros suele estar entre 0,6-1 m, por encima de 1 m la pérdida de carga aumenta mucho y por debajo de 0,6 m se reduce el espesor de cada capa filtrante, con lo que se reduce su eficacia. El flujo operativo nominal y la caída de presión están entre 3-7 gpm/ft y 3-7 psi. Cuando la caída de presión aumenta por encima de 10 psi, es necesaria una operación de retrolavado, que consiste en invertir el flujo (el agua va hacia arriba) para eliminar las partículas atrapadas en el medio filtrante, y éste saldrá por la parte superior del filtro con el agua de retrolavado. Lo habitual es que el retrolavado sea alrededor de 3 veces el flujo normal de filtrado (debe ser lo suficientemente alto como para levantar el medio filtrante y eliminar las partículas atrapadas en él). El monomedio es un filtro de una sola capa, comúnmente compuesto por arena y hoy en día es reemplazado por una tecnología más nueva. El monomedio de lecho profundo es también un filtro de una capa que consiste en antracita o CAG. El filtro monomedia de lecho profundo se utiliza cuando la calidad del agua es constante y proporciona un mayor tiempo de funcionamiento. Los medios dobles (de dos capas) suelen contener una capa de arena en el fondo y una capa de antracita o CAG en la parte superior. El trimedia o medio mixto 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 superior.