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Chapter 4 Data Representation, Logic,
4.4.17 Extension: Operators
Entre los factores que de una forma u otra influyen en el proceso de filtración estan, medio filtrante, velocidad de filtración, suspensión, temperatura y dureza del flóculo.
2.1.3.1. Medio filtrante
El medio filtrante usado en plantas de tratamiento de agua, está constituido por arena silícea, antracita, granate o una combinación de dichos materiales. La forma tiene importancia no sólo por el aspecto hidráulico (pérdida de carga inicial) sino por la relación superficie volumen, ya que el proceso de filtración esta relacionado directamente con el área total de los granos. Por esta misma razón la eficiencia es proporcional al diámetro de las partículas.
2.1.3.2. Velocidad de filtración
La velocidad de filtración se define como la relación del caudal instantáneo y la unidad de superficie, es directamente proporcional a la pérdida de carga. Según la siguiente ecuación, Dégremont [43]:
kP
R
P
V
=
=
η
En donde, V = velocidad de filtración P = pérdida de carga k = coeficiente de proporcionalidad η = viscosidad dinámicaR = resistencia del medio
La velocidad de filtración influye en la determinación del área del filtro, Metcalf & Eddy [86]. Depende de la consistencia de los flóculos y del tamaño medio del grano del lecho filtrante. Si los flóculos son de consistencia débil, con velocidades elevadas tienden a romperse y a arrastrar parte de ellos mismos a través del filtro. La velocidad de filtración es inversamente proporcional a la eficiencia.
2.1.3.3. Suspensión
Las características físicas y químicas de la suspensión afectan el comportamiento de los filtros. En muchos casos son más importantes para obtener una determinada
calidad del efluente, que el tamaño y clase del medio filtrante usado, ya que un filtro trabajando a una velocidad determinada puede producir agua con mayor o menor turbidez, según la suspensión que reciba.
2.1.3.3.1. Características físicas
El volúmen, densidad y tamaño del flóculo, se relacionan en varias formas con la rapidez con que aumenta la pérdida de carga en el filtro y otros parámetros. Si el volumen del flóculo es grande, los poros del medio filtrante se llenarán más rápido y el gradiente hidráulico aumenta más en menos tiempo.
Por otra parte, las fuerzas de Van der Waals se incrementan con la densidad de las partículas, de manera que puede influir en la adhesividad del flóculo, la profundidad de su penetración en el lecho y su resistencia al desprendimiento por esfuerzos cortantes. El tamaño de las partículas influye, a su vez, en el mecanismo que predomina para la eliminación del material suspendido, lo que se relaciona con la proporción de partículas de un diámetro determinado que resultan eliminadas en el proceso.
2.1.3.3.2. Características químicas
Arboleda Valencia, J. [15], cita que autores como Jorden, Smith, Eduard y Monke; y Gregory han estudiado la interrelación entre pH, potencial zeta (PZ) y eficiencia del filtro.
El potencial Z de los granos del medio filtrante es diferente al de la suspensión. Los compuestos de sílice (arenas) en el agua, son electronegativos y su PZ varía entre - 36 y -177 mv. Las arcillas en suspensión acuosa también son electronegativas, cuando se les agrega un coagulante metálico, el PZ disminuye de -25 ó -15 mv hasta - 5 ó 0 mv y en ocasiones adquieren cargas positivas, cuando se aplica una sobredosis, que hace que entre los granos del medio filtrante y las partículas de la suspensión pueden establecerse fuerzas repulsivas.
Eduards y Monke encontraron que las capas superficiales de un filtro de 3/16" de espesor son fuertemente electropositivas, aunque el resto del lecho sea electronegativo y que durante el proceso de filtrado las cargas positivas y negativas del lecho disminuyen aproximándose al punto isoeléctrico.
La pequeña capa superficial que se forma en el filtro, constituída por material orgánico (bacterias, algas, etc.) que es de carga positiva, puede crear fuerzas atractivas entre estas y las partículas electronegativas de la suspensión. Esto explica la mayor eliminación de partículas en los primeros 2,5 cm del medio filtrante y la mejora, con el tiempo, en la calidad del efluente, cuando aumenta el espesor de la película biológica. Según los autores citados, son los granos del medio filtrante los que cambian de PZ durante el filtrado. Las partículas de arcilla que contiene el agua no modifican su PZ independiente del pH que tengan al pasar a través del filtro.
Investigaciones realizadas por Hudson, Shull, Jorden y Stanley, citadas por [15], concluyeron que a medida que el PZ se hace más electronegativo y el pH del agua aumenta, la turbidez del efluente va disminuyendo hasta alcanzar un valor óptimo, a partir del cual la turbidez del filtrado se va incrementando a medida que el pH se hace mayor. Por lo tanto, existe un valor óptimo de pH para filtrar el agua, que no necesariamente es igual al que se establece para desestabilizarla y sedimentarla. Se debe tener en cuenta que al aumentar el pH, las fuerzas entre los granos y las partículas de la suspensión, aunque siguen siendo atractivas en las capas superiores, se hacen más repulsivas en las inferiores, y por ello se puede producir el incremento en la turbidez del efluente.
2.1.3.4. Temperatura
La temperatura del agua afecta los mecanismos físicos y químicos que intervienen en la filtración. Dostal y Robeck, estudiaron el comportamiento de un filtro a 3°C en
invierno y a 20°C en verano, operando con una tasa normal de 120 m3 /m2 /d en un
medio filtrante de arena. La turbidez del afluente fue de 4 NTU y la efluente de 0,1
lecho filtrante. Observaron que para el mismo tiempo de filtración, la pérdida de carga fue menor a 3°C que a 20°C, debido a una eliminación del flóculo más lenta a menor temperatura, y que a una temperatura de 3°C el flóculo se deposita menos en la superficie que a 20°C.
2.1.3.5. Dureza del flóculo
El filtro sólo puede producir agua con determinada calidad durante un período fijo, a partir del cual el flóculo empieza a aparecer en el efluente. Este momento se llama punto de rotura. El filtro inicialmente tiene un período de maduración en que la turbidez es alta. Después sigue un período de buena calidad y por último el de paso del flóculo a través del lecho.
En una carrera se consideran tres condiciones:
- Flóculo blando, cuando la máxima turbidez permisible del efluente se produce
antes de alcanzar la máxima pérdida de carga, t1 < t2
- Flóculo fuerte, cuando se produce después de la máxima pérdida de carga, t1
> t2
- Flóculo adecuado, cuando se producen al mismo tiempo, t1 = t2
Mintz propuso como índice de la carrera de filtración la relación: t1 /t2 , en donde el
tiempo t1 es el período de protección efectiva del filtro y t2 el período en el cual la
pérdida de carga alcanza su máximo operacional. La relación t1 /t2 representa el
margen de seguridad con que opera el filtro. Cuanto más grande sea t1 con respecto a
t2 , mayor certeza se tendrá de que no habrá irrupción de turbidez antes de que se
acabe la carrera del filtro. Desde el punto de vista práctico lo más económico es que t1
sea igual a t2.
2.1.3.5.1. Acondicionamiento del flóculo afluente
Acondicionar el flóculo, es adicionar al flujo que entra al filtro compuestos químicos que aumentan o disminuyen la adhesividad de las partículas al medio filtrante para producir un flóculo más fuerte o más blando.
Lo más común, es el uso de los llamados ayudantes de filtración, cuya función es similar a la de los ayudantes de coagulación. Como ayudantes de filtración se utilizan polielectrolitos o coagulantes metálicos [Al(III), Fe(III)], que se inyectan despúes de la sedimentación y antes de que el agua llegue a los filtros.
Los polímeros endurecen el flóculo, permitiendo que se pueda filtrar durante más tiempo sin deteriorar la calidad del efluente, aunque se incrementa la pérdida de carga. Es decir que, ésta última, es directamente proporcional a la dosis de polielectrolitos aplicados.
Por tanto, la dosis óptima de polielectrolitos dependerá de la calidad del efluente que se desee en relación a la mínima carrera de filtración que se considere económica. Entre más grande sea el tamaño del medio filtrante, es más útil el uso de compuestos que aumenten la adhesividad de las partículas, para prevenir la presencia de turbidez en el agua filtrada.
Arboleda Valencia, J.[15] cita que, estudios realizados por Yanes demostraron que la dosificación de ayudantes de filtración no necesita ser continua. Anteriormente, Harris había demostrado también, que el uso de polielectrolitos en el agua de lavado, puede evitar el aumento de turbidez, que se presenta en la primera media hora de carrera de filtración.
Recubrir el grano del medio filtrante con un polímero adecuado, después de lavar la unidad o durante el lavado, produce un efecto de larga duración, que evita la aparición prematura de flóculo en el efluente, sin impedir la penetración en profundidad de las partículas de la suspensión.
Otro de los efectos adicionales que producen los ayudantes de filtración, es disminuir el efecto perjudidicial que los cambios bruscos de velocidad de trabajo producen en el efluente del filtro.
Sin embargo, los polímeros usados como ayudantes de filtración tienen la tendencia a cementar los granos del medio filtrante y a convertirlos en bloques sólidos de difícil rotura, y por eso deben usarse vigilando el comportamiento de los lechos
periódicamente. Desde este punto de vista son preferibles los polielectrolitos livianos (de bajo peso molecular) porque tienden a deteriorar menos el lecho que los pesados.