Filtro de arena

Los filtros de lecho de arena funcionan proporcionando a las partículas sólidas múltiples oportunidades para 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. Estas pueden ser capturadas mediante uno de varios mecanismos:

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

Además, la repulsión de carga superficial puede impedir la captura de sólidos particulados si la carga superficial de la arena tiene el mismo signo (positivo o negativo) que la del sólido particulado. Asimismo, es posible desalojar las partículas capturadas, aunque pueden volver a ser capturadas a mayor profundidad dentro del lecho. Finalmente, un grano de arena ya contaminado con sólidos particulados puede volverse más atractivo o repelente para la adición de más sólidos particulados. Esto puede ocurrir si, al adherirse al grano de arena, la partícula pierde carga superficial y se vuelve atractiva para otras partículas, o viceversa, y la carga superficial se conserva, repeliendo así más partículas del grano de arena.

En algunas aplicaciones es necesario pretratar el efluente que fluye hacia un lecho de arena para asegurar la captura de los sólidos particulados. Esto se puede lograr mediante uno de varios métodos:

• Ajustar la carga superficial de las partículas y la arena cambiando 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 cargados que forman un puente entre las partículas sólidas (haciéndolas más grandes) o entre las partículas sólidas y la arena.

Pueden funcionar con fluidos que fluyen hacia arriba o hacia abajo, siendo este último método mucho más común. En los dispositivos de flujo descendente, el fluido puede fluir a presión o por gravedad. Los filtros de lecho de arena a presión se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales y suelen denominarse filtros rápidos de lecho de arena. Las unidades alimentadas por gravedad se emplean en la purificación de agua, especialmente agua potable, y estos filtros se utilizan ampliamente en países en desarrollo (filtros lentos de arena).

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

• filtros de arena rápidos (por gravedad)
• Filtros rápidos de lecho de arena (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 filtrante ocupa la mayor parte de la cámara. Se encuentra sobre un fondo de boquillas o sobre un sistema de drenaje que permite la salida del agua filtrada. El agua cruda pretratada entra en la cámara del filtro por la parte superior, fluye a través del medio filtrante y el efluente drena a través del sistema de drenaje en la parte inferior. Las grandes plantas de procesamiento también cuentan con un sistema para distribuir uniformemente el agua cruda al filtro. Además, generalmente se incluye un sistema de distribución que controla el flujo de aire. Este sistema permite una distribución constante de aire y agua y evita flujos de agua excesivos en áreas específicas. La distribución típica del tamaño de grano se debe al retrolavado frecuente. Los granos de menor diámetro predominan en la parte superior de la capa de arena, mientras que los granos gruesos predominan en las partes inferiores.

Dos procesos que influyen en la funcionalidad de un filtro son la maduración y la regeneración. Al inicio de una nueva pasada del filtro, la eficiencia 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 podría no cumplir con los criterios de calidad y debe reinyectarse en etapas anteriores de 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 , se bombea agua (y aire) en sentido inverso a través del sistema de filtración. El agua de retrolavado puede reinyectarse parcialmente delante del proceso de filtración 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 cierto valor.

Diseño de filtro de lecho de arena de presión rápida

Los granos de arena más pequeños proporcionan una mayor 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 de entre 0,6 y 1,2 mm, aunque para aplicaciones especializadas se pueden especificar otros tamaños. Las partículas de alimentación más grandes (>100 micrómetros) tienden a obstruir los poros del lecho y convertirlo en un filtro superficial que se obstruye rápidamente. Se pueden utilizar granos de arena más grandes para superar este problema, pero si hay cantidades significativas de sólidos grandes en la alimentación, es necesario eliminarlos 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 entre 0,6 y 1,8 m (2 y 6  pies), independientemente de la aplicación. Esto está relacionado con el caudal máximo que se describe a continuación. ^{[ 5 ] : 302–303}

Las directrices para el diseño de filtros rápidos de lecho de arena sugieren que deben operarse con un caudal máximo de 9 m³ ^/ m² ^/ h (220 galones estadounidenses/pie² ^/ h). ^{[ 7 ]} Utilizando el caudal requerido y el caudal máximo, se puede calcular el área necesaria del lecho.

El último punto clave del diseño consiste en asegurarse de que el fluido se distribuya correctamente por todo el lecho y de que no existan rutas preferenciales por donde la arena pueda ser arrastrada y el filtro pueda verse comprometido.

Los filtros de lecho de arena de presión rápida suelen operar 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. Esta aumenta a medida que se capturan sólidos particulados en el lecho. La captura de sólidos particulados no es uniforme con la profundidad; se captura una mayor cantidad en las capas superiores del lecho, y el gradiente de concentración disminuye exponencialmente. ^{[ 5 ] : 302–303}

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

La acumulación de sólidos particulados provoca un aumento de la pérdida de presión 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 elimina las partículas acumuladas. En un filtro de lecho de arena rápido presurizado, esto ocurre cuando la caída de presión es de aproximadamente 0,5 bar. El fluido de retrolavado se bombea en sentido inverso a través del lecho hasta que se fluidiza y se expande hasta un 30 % (los granos de arena comienzan a mezclarse y, al frotarse entre sí, desplazan los sólidos particulados). Los sólidos particulados más pequeños se arrastran con el fluido de retrolavado y se recogen normalmente 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 pocos minutos). ^{[ 5 ] : 224–235} Se pueden perder pequeñas cantidades de arena en el proceso de retrolavado y es posible que sea necesario rellenar el lecho periódicamente.

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 floculantes químicos para funcionar eficazmente. Los filtros de arena lentos producen agua de alta calidad sin necesidad de aditivos químicos.

Al pasar el agua floculada por un filtro de arena de gravedad rápida, se eliminan los flóculos y las partículas atrapadas en ellos, reduciendo la cantidad de bacterias y eliminando la mayor parte de los sólidos. El medio filtrante es arena de diferentes granulometrías. Cuando el sabor y el olor pueden ser un problema ( impactos organolépticos ), el filtro de arena puede incluir una capa de carbón activado para eliminarlos.

Los filtros de arena se obstruyen con flóculos o se bioobstruyen tras un periodo de uso. Los filtros de arena lentos se raspan (véase más arriba), mientras que los filtros de arena rápidos se lavan a contracorriente o a presión para eliminar los flóculos. Esta agua de retrolavado se dirige a tanques de sedimentación para que los flóculos se depositen y se desecha como material de desecho. El agua sobrenadante se reutiliza en el proceso de tratamiento o se desecha como agua residual. En algunos países, el lodo se puede utilizar como acondicionador de suelos . Un mantenimiento inadecuado de los filtros ha sido la causa de la contaminación ocasional del agua potable.

En el tratamiento de aguas residuales, a veces se utilizan filtros de arena como etapa final de purificación. En estos filtros, la arena retiene los residuos suspendidos y las bacterias, y proporciona una matriz física para la descomposición bacteriana de los compuestos nitrogenados, como el amoníaco y los nitratos , transformándolos en nitrógeno gaseoso.

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

Una de las ventajas de los filtros de arena es su versatilidad. Además, sus distintos modos de operación (rápido, lento y ascendente) permiten adaptar el método de filtración a las necesidades y requisitos de los usuarios. Los filtros de arena ofrecen una alta eficiencia en la eliminación de color y microorganismos, y su sencillez reduce considerablemente los costos operativos. Asimismo, su simplicidad facilita la automatización de los procesos, lo que reduce la intervención humana.

Las principales limitaciones de esta tecnología estarían relacionadas con la obstrucción, es decir, la obstrucción del medio filtrante, que requiere una cantidad significativa 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 superficies más grandes en comparación con los de flujo rápido, especialmente si el agua bruta está muy contaminada. Sin embargo, a pesar de estas limitaciones, ofrecen muchas más capacidades y por eso se utilizan ampliamente en la industria. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En el proceso de tratamiento de agua, es importante tener en cuenta ciertos factores que podrían causar graves problemas si no se tratan adecuadamente. Los procesos 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 suministrar una cantidad determinada de agua, por ejemplo, a una comunidad, es necesario considerar esta pérdida. Además, los residuos del retrolavado deben tratarse o eliminarse adecuadamente. Desde el punto de vista químico, las variaciones en la calidad del agua bruta y los cambios de temperatura afectan, ya a la entrada de la planta, la eficiencia del proceso de tratamiento.

Existe una considerable incertidumbre en relación con los modelos utilizados para construir filtros de arena. Esto se debe a las suposiciones matemáticas necesarias, como que todos los granos sean esféricos. La forma esférica afecta la interpretación del tamaño, ya que el diámetro es diferente para granos esféricos y no esféricos. El empaquetamiento de los granos dentro del lecho también depende de su forma, lo que a su vez afecta la porosidad y el flujo hidráulico. ^{[ 6 ]}