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CAPTULO 5

BATERA DE FILTROS DE TASA DECLINANTEY LAVADO MUTUO

Batera de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 183

1. INTRODUCCIN

Los filtros son las unidades ms complejas de una planta de tratamiento deagua. Su correcta concepcin depende de la interrelacin que exista entre lascaractersticas de la suspensin afluente y los rasgos del medio filtrante, para quepredominen los mecanismos de filtracin apropiados que darn como resultado lamxima eficiencia posible. El trabajo experimental mediante un filtro piloto es laforma ms segura de seleccionar las caractersticas de la unidad y los parmetrosde diseo para una suspensin determinada.

El segundo punto en importancia para optimizar el diseo del filtro es unbuen conocimiento de la hidrulica de la unidad. Las evaluaciones efectuadas deestas unidades en toda Amrica Latina indican que es en este terreno que sesuelen inscribir las deficiencias ms notables en la concepcin de los proyectos.

La concepcin de estas unidades vara dependiendo de las caractersticasde la suspensin por filtrar, por lo que podemos diferenciar las unidades que filtranagua decantada de las que reciben agua coagulada o brevemente floculada. En elprimer caso, se tratar de las bateras de filtros que integran una planta de filtra-cin rpida completa y, en el segundo, de una planta de filtracin directa. Como seha visto en la seccin Plantas de filtracin rpida del captulo 3, Tratamiento deagua para consumo humano. Plantas de filtracin rpida. Manual I: Teora,tomo I, estos ltimos sistemas son los ms restringidos en cuanto al rango decalidad de agua que pueden tratar.

En este documento se han reunido y sintetizado los criterios ms importan-tes para efectuar el correcto dimensionamiento de las bateras de filtros de tasadeclinante y lavado mutuo.

2. VENTAJAS DE LAS BATERAS DE FILTROS DE TASADECLINANTE Y LAVADO MUTUO

Las bateras de filtros de tasa declinante y lavado mutuo se consideran comotecnologa apropiada debido a que renen las siguientes ventajas sobre otros siste-mas de filtracin en uso:

184 Diseo de plantas de tecnologa apropiada

x No requieren una carga hi-drulica muy grande paraoperar. Los filtros de tasaconstante operan con unacarga hidrulica de 1,80 a2 metros para completaruna carrera de operacinde 40 a 50 horas en pro-medio. En estas mismascondiciones, normalmenteuna batera de filtros ope-rando con tasa declinanterequiere una carga similara la que necesitara si estuviera operando con tasa constante, dividida por elnmero de filtros que componen la batera.

x No tienen galera de tubos. El transporte del agua decantada, filtrada, elagua para el retrolavado de los filtros y el desage del agua de lavado se

efectan mediante canales. En la fi-gura 5-1 se puede observar un sis-tema pequeo que consta de seis fil-tros de arena sola.

Normalmente el agua filtrada tam-bin se traslada mediante canales,uno de aislamiento y otro que co-necta entre s la salida de todas lasunidades. Estos canales se encuen-tran inmediatamente despus de lascajas de los filtros. Sin embargo,tambin se proyectan bateras deeste tipo con galera de tubos como

la que podemos observar el figura 5-2. La galera de tubos est descubiertaal lado derecho de las cajas de los filtros.

x No se requiere tanque elevado ni equipo de bombeo para efectuar elretrolavado de un filtro. A travs del canal de interconexin y debido a unespecial diseo hidrulico del sistema, el agua producida por lo menos portres filtros retrolava a una unidad. En la figura 5-3 se puede observar este

Figura 5-1. Batera de filtros de tasadeclinante y lavado mutuo (1)

Figura 5-2. Bateras de filtros de tasadeclinante con galera de tubos (1)


proceso cuando el falso fondoacta como canal de interco-nexin.

x Debido al especial diseo hidru-lico de estos sistemas, el opera-dor solo debe cerrar el ingresode agua decantada y abrir lasalida de agua de lavado para que el lavado se produzca en forma autom-tica y con la expansin correcta (25 a 30%).

x No se requiere instrumentalsofisticado ni consolas o pu-pitres para la operacin, aun-que en las plantas grandes selos suele incluir.

x En la figura 5-4 se muestrauna batera de este tipo de 1,0m3/s de capacidad, la cualhace parte de una planta de6,3 m3/s, con accionamientoautomtico de vlvulas y pu-pitres de operacin.

x En la figura 5-5 se puedeapreciar una batera doblede filtros de tasa declinan-te y lavado mutuo, de 2,5m3/s de capacidad de pro-duccin, de mayor tamaoque la anterior, con opera-cin manual.

x La batera de filtros operabajo el principio de vasoscomunicantes. Las unida-des estn intercomunicadaspor la entrada a travs del

Figura 5-3. Movimiento del aguadurante el lavado de un filtro (2)

Figura 5-4. Batera de filtros de 1,0 m3/sde capacidad (1)

Figura 5-5. Sistema de filtracin de tasadeclinante y lavado mutuo (1)


canal de entrada y tambin del canal de interconexin en la salida. Por estacaracterstica, las unidades presentan todas los mismos niveles y es posiblecontrolar el nivel mximo de toda la batera, con un solo vertedero-aliviade-ro en el canal de entrada.

3. DESCRIPCIN DE UNA BATERA DE TASA DECLINANTE YLAVADO MUTUO

Al igual que en el caso de los decantadores laminares, tenemos solucionespara plantas pequeas y grandes. En la figura 5-6 podemos apreciar el corte de unfiltro de una batera de tasa declinante para una planta de mediana a grande.

1) Caja del filtro. Es la parte ms importante de la unidad. Podemos apreciardel fondo hacia arriba: el falso fondo, el drenaje generalmente del tipo deviguetas prefabricadas de concreto, la capa soporte de grava, el lechofiltrante, las canaletas secundarias de lavado y el canal principal de lavado,que recibe el agua del retrolavado colectada por las canaletas secundarias.Por encima de este nivel se ubican las cargas de agua necesarias para elfuncionamiento de la batera (carga hidrulica para el lavado y carga hi-drulica para el proceso de filtrado), las cuales determinan la profundidadtotal de la caja del filtro y se limitan mediante vertederos.

Figura 5-6. Corte de un filtro para plantas de medianas a grandes (1)

Canal de interconexin

N. 4,100N. 4,100

Canal dedistribucin

de aguadecantada

N. 4,250N. 4,350

N. 0,000

N. Min-3,880

0,250

N. Max-3,950

N. 3,500N. 3,500

Canal derecoleccin

de aguade lavado

N. 2,415 N. 2,450

0,250

Canal recoleccin

de desages

Arena

Grava

Falso fondode filtros

N. 0,100

0,500

0,800

0,215

0,600

0,400

Canal de aislamiento

Compuertade salida

N. 1,250

Vertederogeneral

Drenaje Vlvula de vaciadode filtro

Vlvula de desage de

decantadores

Vlvulatipo

mariposa

Canal principal

de lavado

Vlvula tipo

mariposa


2) Canal de distribucin de agua decantada. Alimenta las cajas de losfiltros a travs de las vlvulas de entrada de cada unidad. En la parte supe-rior de este canal se ubica el vertedero que limita la carga hidrulica mxi-ma disponible para la operacin con tasa declinante de la batera de filtros.

3) Canal de desage de agua de retrolavado. Ubicado debajo del anterior,recibe el agua del retrolavado de los filtros. En este canal se acostumbranreunir tambin los desages de los decantadores (vase la vlvula al ladoderecho del canal de la figura 5-6) y floculadores, por lo que constituye elcanal emisor de la planta.

4) Canal de aislamiento. Recibe este nombre porque tiene la funcin deaislar una unidad del resto de la batera, cerrando la vlvula de entrada y lacompuerta de salida que comunica con el canal de interconexin ubicado asu izquierda. Este canal se localiza contiguo a la caja del filtro y se comuni-

Figura 5-7. Vista en planta de una batera grande de filtros de tasa declinante (1)

Canal de agua sedimentada

Difusorde cloro

VertederogeneralPlanta

B

B

A

Cmara de cloracin

F4

Canales de aislamiento

F3A

F2


F1

ArenaGrava

Falso fondo

Canaletas

Corte A-A

Drenaje

Vlvula deentrada

Vlvula dedesage

Canaletassecundarias

de lavado

Canal principalde lavado


ca con ella a travs del canal del falso fondo en toda su seccin, lo cualpermite una distribucin pareja del agua de lavado a todo lo ancho del dre-naje.

5) Canal de interconexin de la batera. Cumple dos funciones importan-tes:

x Durante la operacin normal de filtracin, reunir el efluente de todoslos filtros y sacarlo a travs del vertedero que controla la carga hi-drulica de lavado.

x Durante la operacin de lavado de una unidad, al bajar el nivel delagua por debajo del vertedero de salida facilita que se deriveautomticamente el agua filtrada producida por las otras unidades enoperacin (por lo menos tres) hacia el filtro que se encuentra en posi-cin de lavado.

La figura 5-7 muestra la vista en planta de una batera de cuatro filtros y lacmara de cloracin a continuacin.

4. CRITERIOS GENERALES DE DISEO

Los criterios expuestos a continuacin son comunes a las bateras que fil-tran agua decantada y coagulada o floculada, con excepcin de las recomenda-ciones relativas a los medios filtrantes, que corresponden a las bateras que reci-ben agua decantada. Las recomendaciones especficas relativas a los parmetrosde dosificacin y a las caractersticas de lechos filtrantes para sistemas de filtra-cin directa se pueden encontrar en la subseccin 6, Criterios para el diseo deplantas de filtracin directa.

4.1 Geometra de la batera

4.1.1 rea de cada filtro y nmero de filtros

x El nmero mnimo de filtros en una batera de tasa declinante y lavadomutuo es de cuatro unidades, de tal manera que tres toman el caudal detoda la batera al momento de lavar una unidad.


x El rea de la caja de un filtro debe ser tal que al pasar todo el caudal de labatera por un filtro, se produzca la velocidad ascensional (VL) apropiadapara expandir en 30% el lecho filtrante.

rea de un filtro (Af) = Q / VL (1)

x El rea total de la batera de filtros se define por la relacin del caudal dediseo de la batera sobre la tasa de filtracin seleccionada (Vf) de acuerdocon el tipo de lecho filtrante, las caractersticas del afluente y el nivel deoperacin local.

rea total de filtracin (At) = Q / Vf (2)

x El nmero de filtros de la batera se obtiene por la relacin del rea totalfiltrante entre el rea de un filtro. Debe ajustarse la velocidad (Vf) hastaque d un nmero exacto de filtros.

Nmero de filtros (N) = At /Af (3)

x El ingreso del agua decantada a la caja del filtro debe efectuarse en un nivelms bajo que el nivel mnimo de operacin, para que cada filtro tome elcaudal que puede filtrar de acuerdo con su estado de colmatacin.

x Por la facilidad de operacin y mayor duracin, deben colocarse vlvulasmariposa en la entrada del agua decantada al filtro y la salida del retrolavadoal canal de desage.

4.1.2 Tasas de filtracin

x La tasa de filtracin depende de varios factores como el tipo de suspensinafluente (agua decantada, coagulada, prefloculada, con o sin uso de polmeroauxiliar, color verdadero, turbiedad, nmero de microorganismos, etctera),granulometra y espesor del medio filtrante, mtodo de operacin de losfiltros, eficiencia del lavado, uso del agua filtrada, etctera.

x Es usual adoptar un valor conforme muestra el cuadro 5-1. No obstante,cuando fuera posible, es deseable que se realice una investigacin experi-mental a fin de optimizar el diseo y la operacin de los filtros.


Discriminacin

Cuadro 5-1. Tasas usuales de filtracin en funcin del nivel de operacin (3)

Tasa de filtracin(m3/m2/da)

Filtracin rpida descendente con tasa declinante

a) De agua decantada, en medio filtrante nico de 120 - 150arena con tamao efectivo (T. E.) de 0,50 a 0,60 mm yespesor alrededor de 0,80 metros.

b) De agua floculada o prefloculada, en medio filtrante 240 - 360grueso y nico, con espesor superior a un metro yuso de polmero como auxiliar (filtracin directa)

c) De agua decantada en medio filtrante doble, con 240 - 360espesor total inferior a 0,80 metros y buen nivel deoperacin y mantenimiento.

4.1.3 Drenaje, capa soporte de grava y falso fondo

x El drenaje ms dura-ble y factible de serconstruido en obra, sinrequerir importaciones,es el constituido porviguetas prefabricadasde concreto de formatriangular (ver figura5-8).

x En filtros grandes lasviguetas se construyende 0,30 metros de an-cho; y en los pequeos,de 0,15 metros de an-cho. Los orificios seubican a ambos ladosde la vigueta espaciados entre 0,10 y 0,15 metros centro a centro. Losorificios se establecen con niples de PVC de a 1de dimetro.

Figura 5-8. Drenaje de viguetasprefabricadas de concreto

Refuerzo

15 cm

30 cm

Mortero

10 cm de 1 1/2 - 3/4

12,5 cm de 2 - 1 1/2

Elemento prefabricado

Niples de 1 a 1/2cada 15 cm c/c

7 cm

Falso fondoApoyo

25,5 cm

40 a 50 cm Apoyo

10 cm

15


x Las viguetas no deben tener una longitud mayor de 4 metros para evitar elpandeo. Con longitudes mayores, debern proyectarse apoyos intermedios.

x Se debe proyectar un nmero entero de viguetas, para lo cual se tendr encuenta que la dimensin del filtro transversal a la posicin de las viguetasdebe ser un mltiplo de 0,15 metros si el filtro es pequeo o de 0,30 metrossi el rea del filtro es grande.

x Se denomina falso fondo al canal ubicado debajo del drenaje, por dondesale el agua filtrada o asciende el agua para el retrolavado. En las baterasde filtros pequeas el falso fondo tambin tiene la funcin de canal de inter-conexin (figura 5-9).

La velocidad de la seccin de paso por el falso fondo (Vffo) debe guardarrelacin con la velocidad de paso por los orificios (Vo), de tal modo que el caudalse distribuya de manera uniforme en todo el lecho filtrante:

Vffo/Vo d 0,46

x Se consigue una buena distribucin (desviacin de caudal (G) < 5%) y bajaprdida de carga en los orificios otro detalle que se debe buscar conuna altura mnima del falso fondo de 0,40 metros y orificios de de di-metro.

x El soporte de grava est conformado por grava graduada de acuerdo conlas especificaciones del cuadro 5-2.

Figura 5-9. Batera de filtros pequea. El falso fondoes el canal de interconexin (1)

Corte A-A


Vertederogeneral


Cuadro 5-2. Capa soporte de grava para viguetas prefabricadas (2)

x La prdida de carga en los orificios puede ser determinada por la siguientefrmula:

ho = q2 / (2 Cd2 . Ao2 . g) (4)

Donde:

q = caudal en un orificio (m3/s)Cd = coeficiente de descarga (0,60 0,65)Ao = rea de un orificiog = aceleracin de la gravedad (m/s2)ho = prdida de carga en el orificio (m)

4.1.4 Lecho filtrante

x El lecho filtrante es la parte ms importante de esta unidad, donde se realizael proceso. Todos los dems componentes son accesorios para poder ope-rar y mantener adecuadamente la unidad.

x El lecho filtrante puede ser simple o doble; esto es, de arena sola o deantracita y arena. Con el primero, la inversin es menor, pero al tener unlecho de arena sola se requiere una velocidad de lavado mayor para obte-ner la misma expansin que cuando el lecho es doble, por lo que resulta unnmero de filtros mayor.

x Las tasas de filtracin, en el caso de lechos de arena sola, varan en prome-dio entre 120 y 150 m3/m2/d. Solo con arena gruesa, muy buena calidad de

Capa Espesor (cm) Tamao

1 7,5 1/8" - 1/4"2 7,5 1/4" - 1/2"3 7,5 1/2" - 3/4"4 10,0 3/4" - 1 1/2"

Fondo 12,5 1 1/2" - 2"Total 45,0


agua y nivel de operacin y empleo de polmeros, es posible aplicar tasasmayores.

x El cuadro 5-3 indica las caractersticas del lecho de arena que se recomien-dan cuando los filtros van a operar con las dos alternativas, filtracin rpidacompleta y filtracin directa.

Cuadro 5-3. Lecho filtrante simple de arena sola (4)

x Cuando se seleccionan lechos dobles de antracita y arena, se puede usaruna tasa promedio de 240 m3/m2/d, lo cual reduce mucho el rea filtrantetotal necesaria para el mismo caudal, en comparacin con un lecho de are-na sola, y el nmero de filtros de la batera resulta menor.

Cuadro 5-4. Lecho filtrante doble de arena y antracita (4)

x La antracita debe seleccionarse en funcin de las caractersticas de la are-na, por lo que esta actividad debe iniciarse con la bsqueda y caracteriza-cin de la arena ms conveniente, tanto por sus caractersticas como por elcosto del material y del flete. Ser necesaria una muestra de la arena y elanlisis granulomtrico correspondiente.

x Una vez conocidas las caractersticas de la arena, se definirn las de laantracita de acuerdo con los criterios indicados en el cuadro 5-5. Estos

Caractersticas Smbolo Criterio

Espesor (cm) L1 60 80Tamao efectivo (mm) D10 0,50 0,80Coeficiente de uniformidad CU d 1,5Tamao ms fino (mm) 0,42Tamao ms grueso (mm) D90 2,0

Caractersticas Smbolo Arena Antracita

Espesor (cm) L 15 30 45 60Tamao efectivo (mm) D10 0,50 0,60 0,80 1,10Coeficiente de uniformidad CU d 1,5 d 1,5Tamao ms fino (mm) 0,42 0,59Tamao ms grueso (mm) D90 1,41 2,0


criterios han sido formulados con la finalidad de que la intermezcla entre laantracita y la arena, en el nivel en que se unen la arena ms fina y laantracita ms gruesa, no sea mayor de 3.

x Conocido el tamao efectivo de la arena (D10), a travs de la curvagranulomtrica levantada, el tamao correspondiente al D90 de la antracitaser igual a tres veces el tamao efectivo de la arena (D10). El tamaoefectivo de la antracita (D10) ser igual a la mitad del tamao correspon-diente al D90 de la antracita.

Cuadro 5-5. Criterios para seleccionar la antracita en funcinde las caractersticas de la arena (2)

x La altura que corresponde a la arena en un lecho doble es 1/3 de la alturatotal, y la altura correspondiente a la antracita, 2/3 de la altura total dellecho filtrante.

4.1.5 Canal de distribucin de agua decantada, coagulada o prefloculada

x Este canal se dimensiona en funcin del canal de desage de agua deretrolavado ubicado en la parte inferior. Se debe tener acceso a este canalpara dar mantenimiento a las vlvulas de lodos de los decantadores, a lasvlvulas de descarga de agua de retrolavado de filtros, a las vlvulas dedesage de fondo de los filtros y a las vlvulas de desage de los floculadores.

x En las plantas pequeas se le da a este canal un ancho mnimo de 0,80metros a un metro, dependiendo del dimetro de las vlvulas indicadas. Enuno de los extremos del canal se coloca un ingreso con escalines paraacceder al canal de desage, poder dar mantenimiento a las vlvulas yaccionar la vlvula de desage del fondo de los filtros. En las plantas gran-des el ancho aumenta proporcionalmente al incremento del dimetro de lasvlvulas.

Caractersticas Smbolo Criterio

Tamao correspondiente al 90% D90 D90 = 3 D10que pasa la mallaTamao efectivo (mm) D10 D10 = D90 / 2Espesor de la arena (cm) L1 L2 = 2 L1Tamao correspondiente al 60% D60 D60 = 1,5 D10que pasa la malla


x En uno de los extremos del canal superior se coloca el aliviadero que con-trola el nivel mximo de operacin de la batera, de tal manera que al rebalsar,el agua cae al canal de desage de la parte baja. Este aliviadero tiene,adems, la funcin de indicar al operador el momento de lavar el filtro quetiene ms horas de carrera.

4.1.6 Canal de aislamiento

x Este canal recibe un ancho mnimo de 0,60 metros debido a que no hayninguna vlvula o compuerta que deba operarse o recibir mantenimiento enesta seccin del filtro.

4.1.7 Canal de interconexin

x Este canal recibe un ancho mnimo de 0,80 metros a un metro. En su inte-rior se encuentra la compuerta de aislamiento de cada filtro. Debenproyectarse un ingreso y unos escalines para ingresar y dar mantenimientoa las compuertas.

4.1.8 Vlvula de entrada de agua decantada

x Esta vlvula es de operacin constante, debe accionarse cada vez que seefecta el retrolavado de la unidad, por lo que se recomienda el uso devlvulas tipo mariposa, porque la duracin, estanqueidad y facilidad deaccionamiento son muy importantes.

x El caudal de diseo de esta vlvula (Qc) debe ser igual al caudal de labatera (Qd) dividido por el nmero de filtros (N) y multiplicado por 1,5, quees el mayor caudal con el que puede operar un filtro recin lavado.

Qc = 1,5 [Qd / N] (5)

x Se debe disear con una velocidad (Vc) de alrededor de un m/s, buscandoredondear a un dimetro comercial. La prdida de carga en esta vlvuladebe ser compensada con la carga hidrulica disponible en la unidad. Elimpacto de una prdida de carga demasiado alta en este punto acortara lacarrera del filtro o bien incrementara la altura total de la unidad. Tampocose recomiendan velocidades muy bajas, porque resultaran reas (A) y di-metros muy grandes de vlvulas.


A = Qc / Vc (6)

4.1.9 Vlvula de salida de agua de retrolavado

x Esta vlvula tambin debe ser de tipo mariposa, por las mismas razones queen el caso anterior. Se puede disear con velocidades (Vc) menores de 2m/s.

x El caudal de diseo de esta vlvula (Qc) es el caudal de diseo de la batera(Qd).

A1 = Qd / Vc (7)

4.1.10 Vlvula de desage de fondos

x Esta vlvula permite vaciar ntegramente el filtro en el caso de que seanecesario inspeccionar el lecho filtrante, la capa soporte o el drenaje, o biencambiarlos.

x Esta vlvula es de accionamiento muy espordico, por lo que normalmentese coloca una vlvula de tipo compuerta, de 8 a 10 pulgadas. En este caso,la diferencia entre un dimetro y otro solo impactar en el tiempo que de-morar en vaciarse el filtro.

x En las bateras en que se proyecten canal de aislamiento y canal de interco-nexin deber colocarse una vlvula por filtro. En los sistemas pequeos enque el falso fondo opere como canal de interconexin, ser suficiente unapara toda la batera.

4.1.11 Compuerta de aislamiento o de salida de agua filtrada

x Esta compuerta se disea con velocidades (Vc) de 1 a 1,5 m/s. La prdidade carga producida influye tanto en la altura del vertedero que da la cargapara la operacin de lavado como en la carga hidrulica durante el procesonormal de operacin, por lo que impacta doblemente en la altura total delfiltro.

x El caudal de diseo (Qc) de esta compuerta es el caudal de diseo de todala batera (Qd), que pasa a travs de esta compuerta durante la operacinde retrolavado, salvo el caso de filtros grandes lavados con aire y agua, en


que solo se utilice parcialmente el caudal producido. En este ltimo caso, ellecho solo necesita expandir 10% durante el retrolavado, por lo que no serequiere la totalidad del caudal producido.

A2 = Qd / Vc (8)

4.2 Hidrulica del lavado

x De la operacin de lavado depende el mantenimiento del lecho filtrante, porlo que el diseo de este sistema es determinante para el buen funciona-miento y eficiencia de la unidad.

x Para que la batera pueda autolavarse, es necesario que cumpla con doscondiciones:

1) Al pasar el caudal de operacin de la batera a travs de un filtro, debeproducirse la velocidad de lavado necesaria para expandir entre 25 y30% el material filtrante.

2) El vertedero de salida debe proporcionar la carga hidrulica necesariapara compensar las prdidas de carga que se producen durante estaoperacin.

4.2.1 Canaletas de recoleccin de agua de lavado

x La recoleccin deagua de lavado sehace a travs de uncanal principal (fron-tal, lateral o central),en el cual descarganlas canaletas recolec-toras secundarias(ver figura 5-13). Elcaso de la figura 5-11es apropiado para unfiltro pequeo. Las canaletas secundarias se han adosado a las paredes delfiltro para no obstaculizar el acceso al lecho filtrante.

Figura 5-10. Canaletas secundarias derecoleccin (2)

ho ho

b


x Las canaletas secundarias pueden ser de concreto o de materiales especia-les (resinas) y presentan diferentes cortes transversales. En general, en lascanaletas ejecutadas in situ se da una pendiente del orden de 1% en direc-cin longitudinal. La capacidad de las canaletas de recoleccin se calculamediante la siguiente ecuacin:

Qc = 82,5 b. h 1,5 (9)

Donde:

Qc = caudal escurrido por unacanaleta (m3/min)

b = ancho de la canaleta (m)h = altura til de la canaleta (m)

La ecuacin (9) solo es vlidacuando la descarga es libre (vase la fi-gura 5-10).

x Para canaletas con seccin transversal no rectangular, se puede admitir lamisma altura h y hacer la equivalencia de la seccin de escurrimiento. Lafigura 5-12 presenta las secciones comnmente usadas en la prctica.

x La mejor seccin es la que tiene el fondo inclinado hacia el centro. Estamodificacin evita que el lodo se apelmace contra el fondo plano de lacanaleta.

x La distancia entre lascanaletas y la posicin deellas en relacin con el me-dio filtrante puede determi-narse sobre la base del es-quema de la figura 5-14 ya partir de las siguientesecuaciones propuestas porKawamura (5).

Figura 5-11. Canal principal frontaly canaletas secundarias (1)

Figura 5-12. Secciones de canaletasms comunes (2)


0,75 (L + P) < Ho < (L + P) (10)

1,5 Ho < S < 2 Ho (11)

4.2.2Ubicacin del vertedero desalida

Para determinar la posicin delvertedero de salida, es necesario co-nocer la velocidad con la cual el lechofiltrante seleccionado produce la expan-sin adecuada. Luego, con esta velo-cidad, se calculan las prdidas de car-ga que se producirn durante la opera-cin de lavado y, con la suma total deestas prdidas, que viene a ser la tota-

lidad de la carga disipada a lo largo del proceso, se ubica el vertedero.

x Como las prdidas de carga se calculan matemticamente y los modelosmatemticos no son exactos, este vertedero debe poder ser regulado mien-tras el filtro permanece en operacin. Debe calibrarse durante la puesta enmarcha de la planta, incrementando o bajando su nivel hasta que la expan-sin del lecho filtrante sea de 30%. Vase un vertedero calibrable en lafigura 5-15.

4.2.3 Expansin del medio filtrante durante la operacin de lavado

x Los bacos de las figuras 5-16 y 5-17 corresponden a la solucin grficadel modelo de Cleasby y Fan (3) para granos no esfricos y lecho unifor-me. Los bacos presentan las curvas que relacionan el nmero de Reynoldsen funcin del nmero de Galileo para diferentes coeficientes de esfericidad(Ce) y porosidad del medio filtrante expandido. Generalmente, se fija unavelocidad ascendente entre 0,7 y 1,0 m/min para filtros de flujo descenden-te y de entre 0,9 y 1,3 m/min para filtros de flujo ascendente. Con la veloci-dad ascendente seleccionada, las curvas granulomtricas que componen elmedio filtrante, la temperatura del agua y el coeficiente de esfericidad, sedetermina la expansin total del medio filtrante, que deber resultar entre25 y 30%.

Figura 5-13. Canal principal central ycanaletas secundarias laterales (1)


El nmero de Galileo y el nmero de Reynolds son dados, respectivamente,por las siguientes ecuaciones (12, 13):

Gai = [D3ei . Ua (Us - Ua) g] / P2 (12)

Rei = Va . Dei Ua / P (13)

Donde:

Gai = nmero de Galileo parasubcapa i

Rei = nmero de Reynolds parasubcapa i

Dei = tamao promedio de losgranos de la subcapa i (m)

Us = peso especfico del mate-rial filtrante (kg/m3)

Ua = peso especfico del agua(kg/m3)

P = viscosidad absoluta delagua (kg / s x m)

g = aceleracin de la grave-dad (m/s2)

Figura 5-15. Vertedero calibrable de salida de la batera (1)

Figura 5-14. Distancia entre las canaletasy su posicin respecto al medio filtrante

P

S

Ho

Hf

L


Densidad del material (Us) (g/cm3) 2,65 1,45 1,73 1,3 1,5* 4,0 4,2Porosida del lecho (Ho) 0,42 0,47 0,56 0,60 0,50 0,45 0,65Esfericidad (Ce) 0,7 0,8 0,46 0,60 0,75 0,60

CaractersticasCarbnactivadogranular

Arenaslice

Carbn deantracita

GranateIdaho

Cuadro 5-6. Propiedades tpicas de medios filtrantes comunes para filtros de lecho granular (6)

* En el caso del carbn virgen, con poros llenos de agua, la porosidad aumenta cuando absorbe lamateria orgnica.

Una vez determinado el valor de i para cada subcapa considerada, la poro-sidad expandida de la arena o de la antracita podr determinarse por la siguienteecuacin:

He = 1 - 1 / n i = 1 [Xi / (1 - Hi )] (14)

Donde:

H e = porosidad del medio filtrante expandidoH i = porosidad de la subcapa expandida (i)Xi = fraccin, en peso, entre dos tamices consecutivos de la serie

granulomtrica

El porcentaje de expansin del lecho expandido se calcula por la siguienteecuacin:

E = ( He- Ho ) / (1- He ) (15)

Donde:

H o = porosidad inicial del lecho esttico

4.2.4 Prdida de carga en el lecho filtrante expandido

x La prdida de carga en el medio filtrante expandido (hL1) resulta igual alpeso de los granos de cada material que compone el medio filtrante.


hL1 = (1 - Ho ) . lo . (Us - Ua ) / Ua (16)

Donde:

lo = espesor del material filtrante no expandido (m)H o = porosidad del material filtrante no expandidoU a = peso especfico del aguaU s = peso especfico del material filtrante

x La prdida de carga total en el medio filtrante expandido ser la suma de laprdida de carga en cada material que lo compone.

4.2.5 Prdida de carga en las canaletas

x Ser igual a la altura que alcance el agua de lavado sobre las canaletassecundarias para salir del filtro. Se calcula mediante la frmula del vertede-ro rectangular:

hL2 = [Qd /1,84 (2nLc)] 2/3 (17)

n = nmero de canaletasLc = longitud de cada canaletaQd = caudal de diseo de la batera

4.2.6 Prdida de carga en el drenaje de viguetas prefabricadas

x Una vez diseado el drenaje y conociendo el numero de viguetas y de orifi-cios, definir el caudal por orificio.

qo = Qd / # total orificios

hL3 = qo2 / 2 Cd2 Ao2 g (18)

qo = caudal por cada orificio (m3/s)Cd = coeficiente de descarga (0,60 0,65)Ao = rea de cada orificio (m2)g = aceleracin de gravedad (m/s2)


4.2.7 Prdida de carga en canales y orificios de compuertas

hL4 = K V2 / 2g (19)

K = coeficiente de prdida de cargaV = velocidad de paso del caudal de lavado (m/s)

4.2.8 Clculo del nivel del vertedero

x Se suman todas las prdidas de carga importantes desde que el agua saledel canal de interconexin hasta que bordea la canaleta secundaria de re-coleccin: prdida en la compuerta de salida o de aislamiento, prdida en elfalso fondo, prdida en los orificios del drenaje, en el lecho filtrante y alturade agua en el borde de la canaleta de recoleccin.

Carga necesaria para el lavado = hf compuerta de salida (si lahubiere)+ hf falso fondo + hf drenaje + hf en el lecho filtrante + hfcanaleta de lavado secundaria o principal

x El nivel del vertedero ser igual al nivel del borde de las canaletas secunda-rias de lavado, ms la carga necesaria para el lavado. En filtros pequeosen los cuales no se tengan canaletas secundarias, esta carga se sumar alborde del canal principal.

Nivel del vertedero de salida de la batera = Nivel borde de lascanaletas de lavado + hf durante el lavado

4.3 Hidrulica del proceso de filtracin

x En este punto es necesario definir la carga hidrulica a fin de que los filtrosestn preparados para operar con tasa declinante. La tasa declinante debeinstalarse durante la operacin, para lo cual se requiere que el proyectistaincluya en su proyecto las instrucciones para la puesta en marcha de labatera.

x La carga hidrulica disponible en el sistema debe calcularse de tal maneraque la relacin entre la tasa de filtracin promedio (VF) y la mxima (VFmx), que se produce en el momento en que el filtro limpio o recin lavadocomienza la carrera, no sea mayor de 1,5.


VF mx d 1,5 VF (20)x Para el clculo de la carga hidrulica del sistema, se dispone de los modelos

matemticos de Cleasby (7), Arboleda (8) , Di Bernardo (9, 10) y del m-todo grfico de Richter (11). Es necesario un clculo cuidadoso de lasprdidas de carga en el filtro para definir esta altura, ya que si es insuficien-te, se obtendrn carreras de filtracin muy cortas, y si se exagera su dimen-sin, se producirn velocidades iniciales muy altas en el filtro recin lavado,lo que deteriorar la calidad del efluente.

x Para la aplicacin de los modelos matemticos o grficos, se requiere de-terminar la ecuacin de la prdida de carga en funcin de la tasa de filtra-cin, que en este caso es de la siguiente forma:

H = A (VF)2 + E(VF) + G (21)

Donde:

H = prdida de carga total durante la carrera o carga hidrulica necesaria(m)

VF = tasa de filtracin promedio (m3/m2 x d)A = igual a la suma de las constantes correspondientes a las prdidas de

carga calculadas para la compuerta de entrada y los orificios del dre-naje.

E = constantes correspondientes al clculo de la prdida de carga en laarena y/o antracita.

G = constante correspondiente a la altura de agua en el vertedero de salidade la batera.

Para obtener esta ecuacin, se calculan todas las prdidas de carga inicia-les durante el proceso de filtracin mediante los siguientes criterios:

4.3.1 Compuerta de entrada

hf1 = K V2 / 2g ; V = VF AF / AC (22)

AC = seccin de la compuerta

hf1 = K (VF AF / AC) 2 / 2g (23)

Ecuacin de la forma hf1 = A(VF)2


Figu

ra 5

-16.

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Figu

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-17.

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el n

mer

o de

Rey

nold

s (Re

) par

a C

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(3)


4.3.2 Drenaje

hf2 = qo2 / (2 Cd2 Ao2 g) (24)

Ecuacin de la forma hf2 = A (VF)2

4.3.3 Medio filtrante: arena y/o antracita

hf3 = 150 Q /g . [ (1 - Ho )2 /Ho3 ]. (1 / Ce2) . Xi / di2 . L .VF (25)

Donde:

Q = viscosidad cinemtica (m2/s)Ce = coeficiente de esfericidadL = espesor del medio filtrante (m)

Ecuacin de la forma hf3 = E (VF)

4.3.4 Vertedero de salida

hf4 = (Qd / 1,84 Lr)2/3 (26)

Donde:

Qd = Caudal de operacin de la batera de filtrosLr = longitud de cresta del vertedero general

x Obtenida la ecuacin de prdida de carga del filtro, se puede determinar lacarga hidrulica que se debe asignar a la batera de filtros, de modo que,cuando un filtro recin lavado entre en funcionamiento, la velocidad mxi-ma que se d en estas condiciones, no sea mayor de 1,5 veces la velocidadde filtracin promedio. Esta medida de control es para evitar que la calidaddel efluente producido en estas condiciones se deteriore.

x Este clculo se efecta por interacciones, asumiendo diferentes valores decarga y comprobando cul es la relacin de tasa mxima/tasa promedioque se obtiene para cada caso, hasta obtener la relacin recomendada.


x La carga hidrulica calculada se fija en la instalacin por encima del verte-dero de salida y se limita colocando un aliviadero en el canal de entrada a labatera. El nivel de la cresta del aliviadero debe coincidir con el nivel mxi-mo de operacin calculado.

5. APLICACIN

El dimensionamiento de la batera de filtros debe empezar por la bsquedadel banco de arena ms cercano, capaz de proporcionar el mayor porcentaje dematerial que se ajuste a las caractersticas recomendadas para filtros rpidos.

Para iniciar este estudio de caso, hemos elegido la arena que se especificaen las columnas 1 y 2 del cuadro 5-7. Mediante el procedimiento indicado ante-riormente, seleccionaremos la antracita, que proporciona un grado de intermezclade alrededor de 3.

El tamao mayor de la antracita deber ser de 0,56 x 3 = 1,68 mm y eltamao efectivo correspondiente de 1,68/2 = 0,84 mm. Como el espesor de capade antracita debe ser 2/3 de la altura total del lecho filtrante, ser de 0,50 m. En lascolumnas 3 y 4 del cuadro 5-7 se indica la antracita seleccionada para iniciar elestudio.

Como hemos elegido filtros de lecho doble, podemos seleccionar una velo-cidad de filtracin de alrededor de 240 m3/m2/d. En el clculo hemos incrementadola velocidad partiendo de 240 m3/m2/d hasta obtener un nmero exacto de cuatrofiltros y hemos supuesto una velocidad de lavado de 0,70 m/min. Vase el cuadro 5-8.

Cuadro 5-7. Lecho filtrante seleccionado (1)

Con las dimensiones de las cajas de los filtros determinadas en el cuadro declculo, esquematizamos la batera de filtros de las figuras del 5-18 al 5-20.

Espesor de la capa (m) 0,30 Espesor de la capa (m) 0,50Tamao efectivo (mm) 0,56 Tamao efectivo (mm) 0,84Coeficiente de uniformidad 1,4 Coeficiente de uniformidad 1,50Tamao mximo (mm) 1,41 Tamao mximo (mm) 1,68Tamao mnimo (mm) 0,42 Tamao mnimo (mm) 0,70

Caractersticas de la antracita Caractersticas de la arena


En el papel granulomtrico de la figura 5-21, podemos apreciar el materialfiltrante seleccionado y cmo se determina el porcentaje de altura de materialcomprendido ente las mallas. Con los valores de x1 a xn determinados para cadamaterial, entramos al cuadro 5-9, donde calculamos la expansin del medio filtrantecon la velocidad de lavado seleccionada.

Como la expansin se encuentra entre 25% y 30%, tanto en el caso de laarena como en el de la antracita, la velocidad de lavado supuesta es correcta.Entonces, procedemos a calcular y ubicar las canaletas de lavado secundarias y aestimar las prdidas de carga durante el lavado para ubicar el vertedero de lavado.

Figura 5-18. Vista en planta de la batera de filtros para 200 L/s materiade la aplicacin (1)

Figura 5-19. Vista en elevacin de las cajas de la batera de filtros materiade la aplicacin (1)

Canal de distribucin agua decantada

AA


1,00

3,30

0,60

0,80

0,80 0,80 0,80 0,80

2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60 2,60

F-1

F-2

F-3

F-4

6,20

0,520,300,50

0,963

1,61

0,36

4,65

0,40

6,206,206,20

2,40 2,401,20

4,29


Caudal

Velocidadascensionalde lavado

Velocidad defiltracinpromedio

Q = 0,200

Va = 0,70

VF = 252

m3/s

m/min

m3/m2/da

AF = Q/Va

AT = Q/VF

N = AT/AF

AF = 0,200 x 60/ 0,70AF = 17,143(3,30 x 5,19)

AT = 0,200 x 86.400/252AT = 68,572

N = 68,572/ 17,143N = 4

rea decada filtro

rea totalde filtrosNmerode filtros

m2

m2

1

2

Paso Datos Cantidad Unidad Crite riosUni-dad

C lc ulo s Re sul -tados

Figura 5-20. Corte transversal de un filtro y canales de la baterade 4 filtros para 200 L/s materia de la aplicacin (1)

Cuadro 5-8. Dimensionamiento de la batera de filtros (1)

0,00

2,683


Figura 5-21. Granulometra del medio filtrante seleccionado (1)

99

90

80

70

60

75

50

40

30

20

10

10,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,80,9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Arena

x = 0,047

x = 0,096

x = 0,215

x = 0,264

x = 0,243

x = 0,102

x = 0,061

Antracita

Tamao granosNmero de mallas

0,15 0,18 0,21 0,25 0,30 0,35 0,42 0,50 0,59 0,70 0,83 1,00 1,17 1,41 1,65 2,00 2,38 2,83 3,36 4,00 4,7 5,5 6,6 0,72 8,00

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,80,9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1003,5100 80 70 60 50 3545 32 28 24 20 18 16 14 12 810 7 6 5 4 3 2,5

x = 0,056

x = 0,155

x = 0,294

x = 0,283

x = 0,162

x = 0,071


Cua

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-9. C

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Batera de filtros de tasa declinante y lavado mutuo 213C

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Cuadro 5-10. Clculo de la expansin de la arena para Ce = 0,80 (1)

Cuadro 5-11. Clculo de la expansin de la antracita para Ce = 0,70 (1)

2,00 2,38 2,182 0,05 50.939 25,5 0,44 0,0891,65 2,00 1,817 0,15 29.404 21,2 0,50 0,3001,41 1,65 1,525 0,29 17.406 17,8 0,55 0,6441,17 1,41 1,284 0,28 10.393 15,0 0,575 0,6591,00 1,17 1,082 0,16 6.208 12,6 0,625 0,4270,83 1,00 0,911 0,07 3.709 10,6 0,68 0,219

1,00 2,338

di mn di mx De(mm) (mm) (mm)

xi Ga Re Hi xi/(1-Hi)

1,17 1,41 1,284 0,04 34.297 15,0 0,40 0,0671,00 1,17 1,082 0,09 20.485 12,6 0,45 0,1640,83 1,00 0,911 0,21 12.240 10,6 0,50 0,4200,70 0,83 0,762 0,26 7.168 8,9 0,55 0,5780,59 0,70 0,643 0,24 4.296 7,5 0,575 0,5650,50 0,59 0,543 0,10 2.593 6,3 0,63 0,2700,42 0,50 0,458 0,06 1.558 5,3 0,68 0,188

1,00 2,251

di mn di mx De(mm) (mm) (mm)

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Cuadro 5-14. Clculo de x/di2 para la capa de arena (1)

Cuadro 5-15. Clculo de xi/di2 para la capa de antracita (1)

1,17 1,41 1,65 0,04 24.246,81,00 1,17 1,17 0,09 76.923,00,83 1,00 0,83 0,21 253.012,00,70 0,83 0,58 0,26 447.504,30,59 0,70 0,413 0,24 581.113,80,50 0,59 0,295 0,10 338.983,00,42 0,50 0,21 0,06 285.714,3

1,00 2.007.497,4

di (mn) di (mx) di2 xi xi/di2


6. CRITERIOS PARA EL DISEO DE PLANTAS DE FILTRACINDIRECTA

Este tipo de tratamiento es muy sensible a las variaciones de turbiedad ycolor, por lo que se recomienda tener un conocimiento muy completo de las carac-tersticas de la fuente y de todas las variaciones de la calidad del agua antes deadoptarlo como solucin. El tiempo de retencin es de apenas unos pocos minu-tos, por lo que durante la operacin no hay margen para atinar a actuar en casosde emergencia. Se debe prever desde el nivel de diseo la necesidad de unmonitoreo constante de los parmetros de calidad de agua.

Su aplicacin ms ventajosa y generalizada es como alternativa para po-cas de aguas claras, en fuentes con fuertes variaciones estacionales. En estoscasos, las plantas se disean de tal modo que en la poca lluviosa se opera confiltracin rpida completa, y en la poca seca, con filtracin directa (figura 5-22).

6.1 Parmetros de diseo

Esta alternativa de tratamiento est constituida bsicamente por dos proce-sos: mezcla rpida y filtracin de flujo descendente. Con aguas de calidad varia-ble, puede ser necesaria una floculacin corta de 8 a 10 minutos, para mejorar laremocin de turbiedad y color, y reducir el periodo de duracin del traspase inicialdel filtro.

x Se recomiendan para el pretratamiento gradientes de velocidad (G) de 1.000s-1 y tiempos de retencin mayores de 5 segundos para la mezcla rpida.Para la floculacin, gradientes de velocidad de 50 s-1 a 100 s-1 y tiempos deretencin de 5 a 10 minutos.

x Investigaciones realizadas por Hutchison, Dharmarajah y Treweek mues-tran que la prefloculacin previa a la filtracin mejora la remocin de tur-biedad y el filtrado inicial, aunque tambin tiene sus desventajas, como lareduccin de las carreras de filtracin y el mayor costo inicial por la cons-truccin del floculador y por la operacin y mantenimiento.

x La prefloculacin es necesaria cuando se tienen aguas claras con variacio-nes horarias, generalmente aguas provenientes directamente de ros. En elcaso de que el agua provenga de un lago o laguna, o se tenga una represa o


embalse intermedio, este servir para atenuar las variaciones, lo que gene-rar un agua de caractersticas ms estables.

x Los parmetros de la prefloculacin se pueden determinar en el laboratorio,aplicando la metodologa indicada en Determinacin de parmetros de fil-tracin directa (Tratamiento de agua para consumo humano. Plantasde filtracin rpida. Manual I: Teora, tomo II, captulo 11, Criteriospara la seleccin de los procesos y de los parmetros ptimos de las unida-des).

x Lo ms recomendable, siempre que los recursos disponibles lo permitan, esinstalar un filtro piloto de operacin continua para determinar la influenciadel pretratamiento y la granulometra del medio filtrante en la duracin de lacarrera de filtracin.

6.2 Dosificacin

x Se consiguen condiciones de operacin adecuadas con dosis ptimas me-nores de 10 mg/L y conteo de algas menor de 200 mg/m3. Con concentra-ciones mayores se obtienen carreras de filtracin cada vez ms cortas.

x Cuanto mayor sea la dosis de coagulante y/o de auxiliar de coagulacin,menor ser la duracin de la carrera de filtracin, debido al incremento dela tasa de crecimiento de la prdida de carga y a un prematuro traspasefinal, con el consiguiente deterioro del efluente.

x Con sulfato de aluminio, la dosis ptima vara poco para una faja relativa-mente amplia de valores de turbiedad. Dosis mayores que la ptima nocausan deterioro del efluente pero disminuyen la duracin de la carrera.Remueve fcilmente el color verdadero en un rango de pH de 5,7 a 6,5 y de7,5 a 8,5 para turbiedad. Valores mayores producen un aumento del alumi-nio soluble en el efluente. Las dosis tpicas son menores de 10 mg (4).

x El cloruro frrico requiere dosis menores que el sulfato de aluminio paraproducir un efluente de la misma calidad. Sin embargo, la naturaleza corro-siva del producto puede causar problemas. Con un pH entre 8,0 y 8,3, elresidual de hierro se ubica bajo el orden de 0,05 mg/L (4).


x Los polielectrolitos catinicos producen carreras de filtracin ms largassin la ocurrencia del traspase final. La dosis ptima es difcil de seleccionar.El periodo inicial hasta obtener un buen efluente es ms largo y no es muybuena la eficiencia de remocin de color verdadero y de turbiedad.

x Muchos trabajos de investigacin han demostrado que los polielectrolitosaninicos y no inicos, con el sulfato de aluminio o con el cloruro frrico,pueden conducir al xito en el empleo de la filtracin directa. Investigacio-nes recientes muestran que el uso de polmeros naturales como el almidnde papa, conjuntamente con el sulfato de aluminio, reducen la ocurrenciaprematura del traspase final y mejoran la calidad del agua filtrada, aunquedisminuyen la duracin de la carrera de filtracin.

x La dosis ptima de coagulante para filtracin directa se puede determinarmediante el procedimiento de laboratorio indicado en Determinacin deparmetros de filtracin directa, Tratamiento de agua para consumohumano. Plantas de filtracin rpida. Manual I: Teora, tomo II, cap. 11.

x El mtodo ms recomendable para determinar la dosis ptima de coagulantees el uso de un filtro piloto con caractersticas idnticas a las de la planta detratamiento.

x La determinacin de la dosis ptima de polielectrolito o polmero naturaldebe ser investigada a travs del anlisis de la curva de desarrollo de laprdida de carga y de la calidad del agua filtrada en la interfaz antracita-arena cuando el lecho es mixto o doble. El rpido desarrollo de la prdida decarga con produccin de agua de buena calidad indica una dosis excesivade polmero, mientras que la tendencia al traspase (ruptura del flculo) se-ala que la dosis utilizada es inferior a la ptima.

x El potencial zeta y el pH del agua coagulada son parmetros importantes enel control del proceso de tratamiento, pues el principal mecanismo de coa-gulacin en este caso es el de adsorcin, con el cual se utilizan dosis decoagulante inferiores a las empleadas en una planta convencional, donde loque se desea es la produccin del mecanismo de barrido para optimizar lasedimentacin. Vase el Diagrama de coagulacin para filtracin direc-ta, seccin 1.8 del captulo 4 Coagulacin, Tratamiento de agua paraconsumo humano. Plantas de filtracin rpida. Manual I: Teora.


Caractersticas Arena Antracita

6.3 Caractersticas del medio filtrante

x El medio filtrante recomendado en estos casos es de granos gruesos, paraasegurar la obtencin de carreras ms largas. Pueden utilizarse lechos sim-ples de arena o de arena y antracita, o lechos dobles. Vase el cuadro 5-16.

Cuadro 5-16. Caractersticas de lechos simples (4)

Espesor de la capa (m) 1,5 2,0Tamao efectivo (mm) 1,17 a 1,65Coeficiente de uniformidad d 1,5Tamao mximo (mm) 2,38Tamao mnimo (mm) 1,0

Este tipo de lecho se utiliza cuando se necesita operar con tasas de filtra-cin muy elevadas.

Cuadro 5-17. Caractersticas de los lechos dobles (4)

Espesor de la capa (m) 0,20 0,50 0,40 a 1,0Tamao efectivo (mm) 0,50 0,83 1,0 1,3Coeficiente de uniformidad d 1,5 d 1,5Tamao mximo (mm) 1,41 2,38Tamao mnimo (mm) 0,42 0,70

6.4 Tasa de filtracin

La tasa de filtracin debe fijarse en relacin con la granulometra del mediofiltrante, la calidad del agua cruda y las dosis de sustancias qumicas utilizadas.Esta decisin debe tomarse preferentemente a partir de un estudio con filtrospiloto, variando las tasas de filtracin y el medio filtrante y evaluando la calidad delefluente y duracin de la carrera hasta conseguir condiciones de operacin apro-piadas.


Figu

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La literatura presenta resultados de investigaciones efectuadas con un ran-go de tasas de filtracin de 120 a 360 m3/m2/d.

Un criterio muy importante que debe tenerse en cuenta al efectuar la selec-cin de la tasa de filtracin son los recursos locales existentes para operar ymantener el sistema. Teniendo en cuenta el periodo de retencin tan corto de estetipo de planta (solo mezcla y filtracin) y lo vulnerables que son los filtros a unaoperacin y mantenimiento deficientes, se recomiendan tasas de operacin muyconservadoras, del orden de 120 a 160 m3/m2/d para arena sola y de 180 a 240 m3/m2/d para lechos dobles.

6.5 Control de calidad

Como el tiempo de retencin es muy corto, se recomienda, por seguridad,un monitoreo constante del agua filtrada y del agua cruda, de modo que apenas elefluente total presente una turbiedad igual o superior a 0,3 UNT, el filtro que haestado funcionando por ms tiempo sea retrolavado, sin importar cul sea la pr-dida de carga en ese momento. Para que la operacin pueda efectuarse de estamanera, durante el diseo deben tenerse en cuenta las instalaciones y equiposnecesarios para llevar a cabo un minucioso control de calidad del afluente y delefluente de la planta.

7. FUNCIONAMIENTO DE LA BATERA DE FILTROS DE TASADECLINANTE

La figura 5-23 muestra una batera de filtros de tasa declinante y lavadomutuo para caudales superiores a 100 L/s.

Figura 5-23. Diseo en planta de batera de filtros de tasa declinante paraplantas de medianas a grandes

2.034.45

2.05

2.30 1.45 3.46 2.65 3.46 2.65 3.46

.54

1.78

1.40


En esta batera se puede observar que la canaleta principal de recoleccinde agua de retrolavado se ha colocado en medio del lecho filtrante. Con estadistribucin, si el ancho de lecho a ambos lados de la canaleta es menor de 2metros, se evita colocar canaletas secundarias y la altura del filtro es menor.

Como se puede observar, la vehiculacin del agua se efecta mediantecanales. Se omiten las galeras de tubos y todo el instrumental que estas incluyeny que normalmente representa 60% del costo del sistema. El canal de distribucinde agua decantada es comn a todos los filtros y es requisito, para operar con tasadeclinante, que las compuertas de ingreso de agua decantada a cada una de lasunidades se ubiquen por debajo del nivel mnimo de operacin.

Figura 5-24. Corte transversal de una batera grande de filtros que incluyecanaletas secundarias para recolectar el agua de retrolavado

El canal inmediato a la salida de los filtros sirve para aislar una unidaddurante el mantenimiento, cerrando la compuerta que lo comunica con el canal deinterconexin y la vlvula de ingreso de agua decantada.

El canal de interconexin es el que comunica a todos los filtros a travs delas compuertas de salida. Mediante este canal se establece el lavado con el flujode toda la batera. Al cerrar el ingreso de agua decantada y abrir la salida de agua

Canal de recoleccinde agua filtrada

N. 4,100N. 4,100

Canal dedistribucin

de aguadecantada

N. 4,250N. 4,350

N. 0,000

N. Min-3,880

0,250

N. Max-3,950

N. 3,500N. 3,500

Canal derecoleccin

de aguade lavado

N. 2,415 N. 2,450

0,250

Canal recoleccin

de desages

Arena

Grava

Falso fondode filtros

N. 0,100

0,500

0,800

0,215

0,600

0,400

Canal de aislamiento

Compuertade salida

N. 1,250



de retrolavado en el filtro ms sucio de la batera, el nivel del agua en este empiezaa bajar, y cuando la altura de agua es menor que la posicin del vertedero decontrol de salida de la batera (ver el tercer canal de la figura 5-24), el flujo deja depasar por el vertedero, se invierte e ingresa al filtro que est en posicin de lavadoa travs de la compuerta de salida.

La velocidad de lavado se establece gradualmente a medida que el agua sedesplaza en los canales, lo cual impide que se produzcan cambios bruscos quepudieran ocasionar prdida del lecho filtrante. La velocidad de lavado se estable-ce al pasar el caudal de proyecto de la batera a travs de la seccin del filtro, loque produce una expansin promedio de 25 a 30%. En la cada del vertedero desalida (figura 5-24) se aplica la dosis de cloro y, mediante la cmara de contactoconsiderada despus, se le da un tiempo de retencin complementario al que estdisponible en el sistema, antes de la primera conexin domiciliaria.

En el canal de desage del agua de retrolavado, se ubica una vlvula decompuerta para vaciar totalmente la unidad (figura 5-24).

En las plantaspequeas el diseo dela batera se simplifi-ca reduciendo el n-mero de canales (figu-ra 5-25). Se omite elcanal de aislamiento yde vaciado total; elcanal de interconexinse ubica en el falsofondo de las unidades(corte A-A).

Al disear losfiltros alargados de talmodo que la distancia perpendicular a la canaleta no sea mayor de 2 metros (figu-ra 5-25), se pueden omitir las canaletas secundarias de recoleccin de agua delavado y, por consiguiente, disminuir en aproximadamente un metro la altura delfiltro. Con anchos del lecho mayores de 2 metros, se dificulta el transporte delsedimento y es necesario considerar canaletas secundarias, como se aprecia en lafigura 5-13.

Figura 5-25. Batera de filtros de pequeacapacidad de produccin

Vertederogeneral

Grava

Arena


Corte A-A


En esta solucin no es posible sacar una unidad de operacin para darlemantenimiento sino que debe parar toda la batera. Para estas situaciones, sedebe prever una capacidad de almacenamiento que permita abastecer a la pobla-cin mientras dura el mantenimiento preventivo. Para vaciar toda la batera, seabre la compuerta que comunica el canal de interconexin con la cmara decloracin.

8. DEFECTOS DE DISEO MS COMUNES

x Uno de los defectos ms comunes es el resultante de proyectar la baterade filtros sin tener en cuenta la granulometra del material filtrante que seva a colocar. Al elegir una velocidad de lavado al azar, sin relacionarla conlas caractersticas de la arena o de la antracita, es muy difcil que luego laarena se expanda ade-cuadamente. Con eltiempo, este problemallega a anular totalmentela eficiencia de la bate-ra de filtros, porque si lavelocidad de lavado esmuy baja y la arena grue-sa, a medida que pasa eltiempo, se va colmatandoy apelmazando con el se-dimento, hasta llegar a lasituacin de que el ma-terial pierde porosidad yel agua se abre paso atravs de grietas. Si la velocidad es muy alta y el material filtrante fino, estese va perdiendo en los lavados sucesivos, hasta que solo queda un poco dematerial que no llega a salir por su profundidad.

x Cuando el lecho filtrante es doble, de antracita y arena, es frecuente encon-trar que no se seleccion correctamente la antracita en funcin de la arenasino que esto se hizo al azar. Cuando la antracita es muy fina, se pierde todaen los primeros lavados y cuando es muy gruesa, se encuentra totalmenterevuelta con la arena.

Figura 5-26. Vertedero de salida fijo, no calibrable


x Hay casos en que elproyectista, en lugarde utilizar los canalespara vehiculizar elagua, coloca tuberasdentro de los canalespara transportar elagua decantada queingresa, el agua filtra-da y el agua de retro-lavado. Adems delgasto intil en que seest incurriendo eneste caso, sucede queal sacar el agua deretrolavado mediante una tubera instalada en el mismo nivel del orificio desalida del filtro, el agua de lavado se represa dentro de la caja del filtro, loque resta eficiencia a esta operacin.

x En innumerables casos, el vertedero de salida no se encuentra en el nivelapropiado, la carga de lavado es muy poca o demasiado grande y ello no sepuede corregir, porque el vertedero no es calibrable (figura 5-26) o es deltipo en que la plancha metlica del vertedero est empernada al muro ypara poder ajustar lacarga, hay que pararla planta para moverla plancha. En la ma-yora de casos, los tor-nillos estn muy oxi-dados y al moverlos,se parten (figura5-27).

x No se deben proyec-tar pesadas tapas deconcreto para los in-gresos a los canales,porque:

Figura 5-27. Vertedero de salida del tipoplancha empernada (1)

Figura 5-28. Pesadas tapas de concreto (1)


a) Por su peso, los operadores no las colocan en su sitio y el agua filtradaqueda expuesta a la contaminacin (figura 5-28).

b) Como las tapas son pesadas, lasdejan caer desde lo alto y termi-nan rotas y los canales quedanpermanentemente destapados.

x En la batera de filtros de la figu-ra 5-29 se puede apreciar cmo,al cabo de unos aos, las tapas serompieron y el agua filtrada se en-cuentra expuesta a la contamina-cin.

x Es muy frecuente tambin que laplanta en su totalidad se proyectepara el caudal de final de la se-gunda etapa, para un futuro de 20a 25 aos, pero que empiece aoperar con el caudal actual. Almodificarse el caudal del proyecto, automticamente estamos modificandola velocidad de lavado. La batera de filtros de la figura 5-30 fue proyectadapara un caudal de 250litros por segundo y, porproblemas de captacin,el caudal de operacinvariaba entre 40 y 120litros por segundo.

Cuando se evalu estaplanta, la expansin dela arena era nula y seencontraba apelmazadacon sedimento de variosaos (figuras 5-30 y5-31).

Figura 5-29. Canales deagua filtrada destapados

Figura 5-30. Batera de filtros de tasadeclinante para un caudal de 250 L/s


Figura 5-31. La operacin de lavado era muy pobre

Figura 5-32. Batera de filtros de tasa declinantey lavado mutuo

x Otro problema que se afronta en la operacin de la batera de filtros es elcausado por un proyecto en el que se consideraron compuertas para accio-nar la entrada de agua decantada y la salida de agua de lavado en lugar devlvulas tipo mariposa. Las compuertas de fabricacin local an no hanalcanzado buenos niveles de calidad, tienen poca durabilidad y no son es-tancas. Demandan mucho esfuerzo al operador cada vez que deben seraccionadas y son precisamente las de operacin ms frecuente.


REFERENCIAS

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