Universidad Nacional de Ingeniera Recinto Universitario Pedro
Arauz Palacios Facultad de Tecnologa de la Construccin Departamento
de Hidrulica Ingeniera Sanitaria II
Universidad Nacional de IngenieraRecinto Universitario Pedro
Arauz PalaciosFacultad de Tecnologa de la ConstruccinDepartamento
de HidrulicaIngeniera Sanitaria IIElaborado por:Jael Krystal Arcia
QuirozScarleth Junieth Osorio PeraltaJos Lus Prez EscotoJorge
Alberto Quant GutirrezFiltros LentosIntroduccinLa filtracin es un
proceso mediante el cual se purifica el agua hacindola pasar a
travs de un material poroso. En la filtracin lenta en arena se usa
un lecho de arena fina a travs del cual el agua se cuela lentamente
hacia abajo (figura).
Debido al tamao del grano fino, los poros del lecho del filtro
son pequeos: la materia suspendida presente en el agua cruda es
retenida mayormente en los 0.2 2cm., superiores del lecho del
filtro.
Esto permite la limpieza del filtro raspando la capa superior de
arena. Como se usan tasa bajas de filtracin (0.1 -0.3 m/hora = 2 7
m3/m2 da) el intervalo entre dos limpiezas sucesivas ser bastante
largo, usualmente varios meses.
La operacin de limpieza no necesita tomar ms de un da, pero
despus de la limpieza se requiere uno o dos das ms para que el
lecho de filtro sea nuevamente completamente efectivo.
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FuncionalidadEs un proceso que se desarrolla en forma natural,
sin la aplicacin de ninguna sustancia qumica, pero requiere un buen
diseo, as como una apropiada operacin y cuidadoso mantenimiento
para no afectar el mecanismo biolgico del filtro ni reducir la
eficiencia de remocin microbiolgica.
La filtracin biolgica (o filtracin lenta) se consigue al hacer
circular el agua cruda a travs de un manto poroso de arena.
Durante el proceso las impurezas entran en contacto con la
superficie de las partculas del medio filtrante y son retenidas,
desarrollndose adicionalmente procesos de degradacin qumica y
biolgica que reducen a la materia retenida a formas ms simples, las
cuales son llevadas en solucin o permanecen como material inerte
hasta un subsecuente retiro o limpieza.
Los procesos que se desarrollan en un filtro lento se
complementan entre s, actuando en forma simultnea, para mejorar las
caractersticas fsicas, qumicas y bacteriolgicas del agua
tratada.
El agua cruda que ingresa a la unidad permanece sobre el medio
filtrante de tres a doce horas, dependiendo de las velocidades de
filtracin adoptadas.En este tiempo, las partculas ms pesadas que se
encuentran en suspensin se sedimentan y las partculas ms ligeras se
pueden aglutinar, llegando a ser ms fcil su remocin posterior.
Durante el da y bajo la influencia de la luz del sol se produce
el crecimiento de algas, las cuales absorben bixido de carbono,
nitratos, fosfatos y otros nutrientes del agua para formar material
celular y oxgeno.
El oxgeno as formado se disuelve en el agua y entra en reaccin
qumica con las impurezas orgnicas, haciendo que stas sean ms
asimilables por los microorganismos.
En la superficie del medio filtrante se forma una capa,
principalmente de material de origen orgnico, conocida con el
nombre de schmutzdecke o piel de filtro, a travs de la cual tiene
que pasar el agua, antes de llegar al propio medio filtrante. El
schmutzdecke est formado principalmente por algas y otras numerosas
formas de vida, tales como plankton, diatomeas, protozoarios,
rotferas y bacterias.
La accin intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y
degrada la materia orgnica contenida en el agua. Las algas muertas,
as como las bacterias vivas del agua cruda son tambin consumidas en
este proceso.
Al mismo tiempo que se degradan los compuestos nitrogenados se
oxigena el nitrgeno. Algo de color es removido y una considerable
proporcin de partculas inertes en suspensin son retenidas por
cernido.
Habiendo pasado el agua a travs del schmutzdecke, entra al lecho
filtrante y es forzada a atravesarlo en un proceso que normalmente
toma varias horas, desarrollndose un proceso fsico de cernido que
constituye una parte del proceso total de purificacin.
Una de las propiedades ms importantes del manto filtrante es la
adherencia, fenmeno resultante de la accin de fuerzas elctricas,
acciones qumicas y atraccin de masas.
Para apreciar la magnitud e importancia de este fenmeno, es
necesario visualizar que un metro cbico de arena con las
caractersticas usuales para filtros lentos tiene una superficie de
granos de cercade 15,000 m2.
Cuando el agua pasa entre los granos de arena con un flujo
laminar (el cual cambia constantemente de direccin) se facilita la
accin de las fuerzas centrfugas sobre las partculas y la adherencia
a la superficie de los granos de arena.
En los poros o espacios vacos del medio filtrante (los cuales
constituyen aproximadamente el 40% del volumen) se desarrolla un
proceso activo de sedimentacin, fenmeno que se incrementa
apreciablemente por la accin de fuerzas electrostticas y de
atraccin de masas.
Debido a los fenmenos enunciados anteriormente, la superficie de
los granos de arena es revestida con una capa de una composicin
similar al schmutzdecke, con bajo contenido de algas y partculas,
pero con un alto contenido de microorganismos, bacterias,
bacterifagos, rotferas y protozoarios; todos ellos se alimentan y
absorben las impurezas y residuos de los otros. Este revestimiento
biolgico es muy activo hasta los 0.40 m de profundidad en el medio
filtrante.
Predominan diversas formas de vida en las diferentes
profundidades y se desarrolla una mayor actividad biolgica cerca de
la superficie del manto filtrante, donde las condiciones son ptimas
y existe gran cantidad de alimento.
El alimento consiste esencialmente en partculas de origen
orgnico, llevadas por el agua.
El revestimiento orgnico mantiene a las partculas que se
encuentran en suspensin en el agua hasta que se degrada la materia
orgnica y es asimilada por el material celular, el cual a su vez es
asimilado por otros organismos y convertido en materia inorgnica,
tal como agua, bixido de carbono, nitratos, fosfatos y sales que
son arrastradas posteriormente por el agua.
En el extremo final del manto filtrante disminuye la cantidad de
alimento, producindose otro tipo de bacterias, las cuales utilizan
el oxgeno disuelto en el agua y los nutrientes que se encuentran en
solucin.
Como consecuencia de los procesos indicados anteriormente, un
agua cruda que ingresa en el filtro lento con slidos en suspensin
en estado coloidal y amplia variedad de microorganismos y complejas
sales en solucin sale virtualmente libre de tales impurezas y con
bajo contenido de sales inorgnicas en solucin. Caractersticas de un
filtro Lent0Es un filtro de flujo descendente de una caja
rectangular o circular a la cual se coloca de 0.90 m a 1.20 m de
arena fina sobre 0.40 a 0.45 m de grava gruesa. Encima del lecho
filtrante se deja una capa de agua a 1.00 a 1.50 m y debajo de la
grava se coloca un sistema de drenes apropiado.
La tasa de filtracin llega a ser 200 veces menor que la empleada
en la filtracin rpida, de modo que el agua puede demorar 2 o ms
horas (hasta 12 horas) de la entrada a la salida de los mismos.
La retencin de las impurezas se manifiesta en 40 cm. De
profundidad.
Mecanismos de RemocinEn el proceso de filtracin lenta actan
varios fenmenos o mecanismos fsicos similares a los de la filtracin
rpida previos al mecanismo biolgico que desinfecta el agua, algunos
de los cuales hemos mencionado. Estos mecanismos son muy
importantes, dado que permiten la concentracin y adherencia de las
partculas orgnicas al lecho biolgico para su biodegradacin.
Mecanismos de transporte
Mecanismo de adherencia
Mecanismo biolgico de la desinfeccin
Mecanismos de transporteEsta etapa de remocin bsicamente
hidrulica ilustra los mecanismos mediante los cuales ocurre la
colisin entre las partculas y los granos de arena. Estos mecanismos
son: cernido, intercepcin, sedimentacin, difusin y flujo
intersticial.
Cernido: En este mecanismo, las partculas de mayor tamao que los
intersticios del material filtrante son atrapadas y retenidas en la
superficie del medio filtrante.
Intercepcin: Mediante este mecanismo las partculas pueden
colisionar con los granos de arena.
Sedimentacin: Este mecanismo permite que las partculas sean
atradas por la fuerza de gravedad hacia los granos de arena, lo que
provoca su colisin. Este fenmeno se incrementa apreciablemente por
la accin de fuerzas electrostticas y de atraccin de masas.Figura 1.
Sedimentador convencional de forma reangular y flujo horizontal
Difusin: Se produce cuando la trayectoria de la partcula es
modificada por micro variaciones de energa trmica en el agua y los
gases disueltos en ella, lo cual puede provocar su colisin con un
grano de arena.Flujo intersticial: Este mecanismo se refiere a las
colisiones entre partculas debido a la unin y bifurcacin de lneas
de flujo que devienen de la tortuosidad de los intersticios del
medio filtrante. Este cambio continuo de direccin del flujo crea
mayor oportunidad de colisin.
Mecanismo de adherenciaEste mecanismo es el que permite remover
las partculas que, mediante los mecanismos antes descritos, han
colisionado con los granos de arena del medio filtrante. La
propiedad adherente de los granos de arena es proporcionada por la
accin de fuerzas elctricas, acciones qumicas y atraccin de masas as
como por pelcula biolgica que crece sobre ellos, y en la que se
produce la depredacin de los microorganismos patgenos por
organismos de mayor tamao tales como los protozoarios y
rotferas.
Mecanismo biolgico de la desinfeccinComo se indic anteriormente,
la remocin total de partculas en este proceso se debe al efecto
conjunto del mecanismo de adherencia y el mecanismo biolgico.
Es necesario que para que el filtro opere como un verdadero
sistema de desinfeccin se haya producido un schmutzdecke vigoroso y
en cantidad suficiente. Solo cuando se ha llegado a ese punto, el
FLA podr operar correctamente. Entonces se dice que el filtro (o el
manto) est maduro.
Al iniciarse el proceso, las bacterias depredadoras o benficas
transportadas por el agua utilizan como fuente de alimentacin el
depsito de materia orgnica y pueden multiplicarse en forma
selectiva, lo que contribuye a la formacin de la pelcula biolgica
del filtro.
Estas bacterias oxidan la materia orgnica para obtener la energa
que necesitan para su metabolismo (desasimilacin) y convierten
parte de sta en material necesario para su crecimiento
(asimilacin).
As, las sustancias y materia orgnica muerta se convierten en
materia viva. Los productos de la desasimilacin son llevados por el
agua a profundidades mayores y son utilizados por otros
organismos.
El contenido bacteriolgico est limitado por el contenido de
materia orgnica en el agua cruda y es acompaado de un fenmeno de
mortalidad concomitante, durante el cual se libera materia orgnica
para ser utilizada por las bacterias de las capas ms profundas y as
sucesivamente.
De este modo, la materia orgnica degradable presente en el agua
cruda se descompone gradualmente en agua, dixido de carbono y sales
relativamente inocuas, como sulfatos, nitratos y fosfatos (proceso
de mineralizacin), los cuales son descargados en el efluente de los
filtros.
La actividad bacteriolgica descrita es ms pronunciada en la
parte superior del lecho filtrante y decrece gradualmente con la
Profundidad y la disponibilidad de alimento.
Cuando se limpian las capas superiores del filtro se remueven
las bacterias, siendo necesario un nuevo perodo de maduracin del
filtro hasta que se logre desarrollar la actividad bacteriolgica
necesaria.
A partir de 0,30 a 0,50 m de profundidad, la actividad
bacteriolgica disminuye o se anula (dependiendo de la velocidad de
filtracin); en cambio, se producen reacciones bioqumicas que
convierten a los productos de degradacin microbiolgica (como
aminocidos) en amonaco y a los nitritos en nitratos
(nitrificacin).
Como el rendimiento del filtro lento depende principalmente del
proceso biolgico, mientras la capa biolgica est desarrollndose, la
eficiencia es baja y no debe considerarse al Filtro Lento como un
eliminador de materia orgnica, sino como un mejorador de la calidad
del agua, sobretodo de la Turbiedad. La maduracin de un FLA puede
demorar de dos a cuatro semanas.
Componentes de un Filtro LentoEstructuras de IngresoCmara de
Distribucin: vertederos, compuertas, cmaras de alivio.Canal de
distribucinCompuertas, vertederos de ingreso
Caja de Filtro: Se disean como mnimo 2 unidades y estn
compuestas por:Medio Filtrante: material granular (arena) con
espesor de 0.80 a 1.0 m. Tamao efectivo 0.15