Mecanismos y parámetros de diseño en la filtración de agua: granular, membranas y filtros lentos

Resumen

El documento explica los mecanismos de filtración en volumen con material granular y en superficie con membranas filtrantes. Describe los parámetros de diseño de filtros, como la velocidad de filtración, la talla efectiva y el coeficiente de uniformidad, y compara los filtros lentos con los rápidos, incluyendo su funcionamiento y limpieza.

Puntos clave

La filtración en volumen retiene los sólidos dentro del lecho granular, mientras que la filtración en superficie usa membranas porosas.
La superficie filtrante se calcula como S = Q / VF, donde Q es el caudal en m³/h y VF la velocidad de filtración en m³/(m²·h).
La talla efectiva (T₁₀) es el diámetro de tamiz que deja pasar el 10% en peso del material.
El coeficiente de uniformidad se calcula como CU = T₆₀ / T₁₀; cuanto más uniforme es la arena, mejor es la distribución del agua.
Los filtros lentos tratan aguas de baja turbidez y, bien diseñados y operados, pueden actuar como sistema de desinfección.
En los filtros lentos se forma una película biológica de 1-2 cm en superficie (maduración del filtro) y la carrera suele durar de 2 a 3 meses.

Ponte a prueba

Filtración sobre Material Granular y Membranas Filtrantes: Mecanismos

La filtración es un proceso esencial en el tratamiento de aguas. Existen diferencias fundamentales entre los mecanismos de filtración que utilizan material granular y aquellos que emplean membranas filtrantes.

Diferencia entre Mecanismos de Filtración

Filtración en Volumen (Material Granular)

Utiliza material granular (arena o similar).
La capacidad de retención de sólidos se encuentra en el volumen del lecho filtrante.
Requiere que los sólidos penetren en el lecho y no bloqueen la superficie.
Necesita material filtrante con granulometría y espesor del lecho adecuados para que el agua alcance la calidad deseada.

Filtración en Superficie (Membranas)

Se realiza a través de medios porosos (membranas) de plástico o metal.
La acumulación de sólidos en la superficie (torta de filtración) colabora con el proceso.
Requiere membranas con pasos adecuados para retener los contaminantes necesarios en el agua tratada.

Parámetros Clave en el Diseño de Filtros

Velocidad de Filtración (VF)

Las velocidades altas disminuyen las fuerzas cohesivas y aumentan las descohesivas.
Cuanto menor es la velocidad de paso del agua a través del filtro, mejor será la filtración.
La velocidad de filtración determina la superficie filtrante necesaria (S).

Fórmula para la superficie filtrante (S):

S = Q (m³/h) / VF (m³/(m²·h))

Granulometría de la Capa Filtrante

Determina el paso máximo a través del filtro. A mayor granulometría, mayores son los intersticios creados.

Talla Efectiva (T₁₀)

Se obtiene a partir de la curva granulométrica. Es el diámetro de tamiz que deja pasar el 10% en peso de material.

Coeficiente de Uniformidad (CU)

Mide el grado de uniformidad en el tamaño de los granos. Cuanto más uniforme sea la arena, mejor es la distribución del agua sobre los poros con una dispersión de tamaños mínima.

Fórmula del Coeficiente de Uniformidad:

CU = T₆₀ / T₁₀

T₆₀: Diámetro de tamiz que deja pasar el 60% en peso de material.
T₁₀: Diámetro de tamiz que deja pasar el 10% en peso de material.

Clasificación de Filtros: Lentos vs. Rápidos

Filtros Lentos

Se utilizan principalmente para tratar aguas con baja turbidez. Si se diseñan y operan convenientemente, pueden considerarse un sistema de desinfección del agua.

Funcionamiento

La filtración ocurre en superficie. En las capas superficiales se acumulan partículas orgánicas, formando una película biológica (1-2 cm) constituida por microorganismos (proceso conocido como maduración del filtro). Se llevan a cabo un conjunto de procesos físicos y biológicos que eliminan la materia orgánica y destruyen los microorganismos patógenos del agua.

Fenómenos Producidos:

Coagulación y retención de coloides y partículas discretas pequeñas por filtrado físico.
Disminución de color.
Adsorción de contaminantes en la capa bioactiva.
Eliminación de materia orgánica disuelta y coliformes.

Limpieza

La arena se ensucia en superficie y forma una película superficial que se obstruye y no permite el paso del agua. El periodo operativo (Carrera del filtro) suele ser de 2 a 3 meses.

La limpieza requiere 1 a 2 días e implica la retirada de la capa superficial (aproximadamente los 2 cm superiores).

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre filtración en volumen y en superficie?

En la filtración en volumen (material granular) los sólidos penetran y se retienen en el lecho. En la filtración en superficie (membranas) los sólidos se acumulan sobre la membrana formando una torta de filtración.

¿Qué es el coeficiente de uniformidad en un filtro?

Es la relación CU = T₆₀ / T₁₀ entre los diámetros de tamiz que dejan pasar el 60% y el 10% del material. Mide qué tan uniforme es el tamaño de los granos de la arena.

¿Cuánto dura la carrera de un filtro lento y cómo se limpia?

El periodo operativo suele ser de 2 a 3 meses. La limpieza requiere de 1 a 2 días y consiste en retirar la capa superficial de aproximadamente los 2 cm superiores.