Identity Relationships

La filtración directa se diseña con base en la calidad del agua de alimentación, existen tres grupos de alternativas de tratamiento:

- Aguas que tengan colores reales de Hazen menores de 30 UC y turbidez

menores de 15 NTU, en princpio pueden tratarse con coagulación y filtración sin sedimentación, según el criterio establecido por el comité de filtración del agua de AWWA.

- Aguas entre 30-50 UC de color y entre 15 y 30 NTU de turbidez, están en un rango intermedio en el que solo mediante experimentación en planta piloto se puede saber si es posible eliminar la decantación, en especial cuando estas condiciones vienen asociadas a contenidos de hierro en un rango de 0,3 mg/l a 1,0 mg/l.

- Aguas que exceden en forma permanente los 50 UC de color y los 30 NTU de turbidez, ya sea conjunta o individualmente, en principio deben ser tratados con los cuatro procesos.

2.2.4.1. Configuración

La filtración directa es el sistema de clarificación del agua en que se prescinde del proceso de sedimentación y puede realizarse de diferentes formas:

- De contacto, en el que solo hay un proceso de mezcla rápida después de la

adición de coagulantes y luego se pasa el flujo directamente a los filtros para que la floculación se realice dentro del lecho filtrante.

- En línea, que consiste en coagulación, mezcla rápida y 7 a 10 minutos de

floculación con gradientes de velocidad intensos entre 60 y 100 s-1 _{para formar}

un microflóculo compacto que pueda ser retenido en profundidad dentro del lecho filtrante.

- Sin sedimentación previa, consiste en realizar todos los procesos

convencionales de mezcla rápida, floculación entre 20 y 40 minutos y filtración sin pasar el flujo por los decantadores.

- Otra modalidad, que se considera en plantas convencionales que cuentan con

los procesos de mezcla rápida, floculación, sedimentación y filtración; para tratar aguas de poca turbidez, es la adición de dosis bajas de coagulantes (4 a 8 mg/l), con el fin de facilitar la formación de flóculos sedimentables. Se prolongan las carreras de filtración, pero no siempre se obtiene un buen efluente, porque el flóculo queda sometido a un largo período de sedimentación y tiene así la oportunidad de hidratarse y crecer disminuyendo su resistencia a los esfuerzos cortantes producidos dentro de los granos del lecho.

2.2.4.2. Diseño del proceso

En el diseño de sistemas de filtración directa se consideran principalmente variables como, calidad del agua bruta, tipo de coagulación y coagulantes, intensidad y tiempo de agitación previa y capacidad de almacenamiento de sólidos del medio filtrante.

2.2.4.2.1. Calidad del agua de alimentación

El agua de alimentación ideal para filtración directa es la que tiene las mismas características de los efluentes provenientes de sistemas de decantación, esto es: una turbidez que el 90 % del tiempo sea inferior a 10 NTU y preferiblemente inferior a 5 NTU, un color verdadero menor de 10 UC el 90 % del tiempo, concentraciones de hierro y manganeso inferiores a 0,3 mg/l y concentraciones de algas obstructoras de filtros máximas de 500 ASU/ml y normales de 200 ASU/ml. Fuentes de este tipo no ofrecen problema al ser filtrados sin decantación previa con dosis de coagulantes entre 4 y 8 mg/l con o sin adición de polímeros.

Cuando el color está entre 15 y 40 UC en forma habitual, la turbidez entre 10 y 40 y hay contenidos de hierro mayores de 0,3 mg/l pero menores de 1 mg/l, la filtración directa no es posible sin tomar precauciones, sobre todo si se combinan o superponen dichos factores. En estos casos es indispensable realizar estudios en planta piloto y en laboratorio para determinar la viabilidad de la filtración directa, por cuanto las dosis de coagulantes requeridas por estas aguas suelen ser mayores de 15 mg/l y en ocasiones llegan hasta 30 mg/l, sobre todo cuando hay color verdadero que solo precipita con altas dosis de coagulantes metálicos, lo cual induce carreras muy cortas de solo 4 a 7 horas, que no son convenientes, a no ser que se aumente la capacidad de almacenaje de sólidos dentro del medio filtrante.

2.2.4.2.2. Tipo de coagulación y coagulantes

Existen dos tipos de coagulación, por adsorción o por barrido:

- Por adsorción, que puede ser de dos clases; por neutralización (reduce el

potencial respectivo de las cargas), y por puente químico, (se realiza simultáneamente o después de la neutralización).

- Por barrido consiste, en dosificar los coagulantes metálicos con concentraciones tales que excedan ampliamente los límites de solubilidad de los hidróxidos de aluminio o hierro en el agua y produzcan una masa tridimensional esponjosa que incorpore en ella las partículas de turbiedad con las cuales colisiona.

Esto tiene especial importancia en la filtración directa porque en ella se pretende trabajar en lo posible con adsorción-desestabilización pura para evitar la producción de hidróxidos cuyo gran volumen llena rápidamente los poros de los medios filtrantes, aumenta la cantidad de lodos producidos y disminuye la resistencia al cizallamiento del flóculo. No siempre es viable realizar este tipo de coagulación, pero cuanto más se acerque el operador a ella obtendrá mejores resultados con la filtración directa, mejor calidad efluente y carreras más largas.

En la mayoría de los casos el coagulante preferido es el sulfato de aluminio con la ayuda de polímeros catiónicos o no iónicos para darle mayor consistencia al flóculo y evitar su rotura. El punto de aplicación varía mucho desde la mezcla rápida hasta los floculadores o el afluente a los filtros. El uso de polímeros según Kawamura (1976) tiene la ventaja de reducir el volumen de flóculo, disminuir el residual de aluminio en el agua filtrada, y minimizar los problemas de ajuste del pH y la alcalinidad. Sin embargo, en aguas de baja turbidez se pueden reestabilizar los coloides por falta de contactos entre partículas, al permitir el doblamiento de las cadenas poliméricas sobre la superficie de los mismos.

En algunos casos, ha dado mejores resultados el cloruro férrico. Este podría ser preferible para aguas coloreadas. En otros casos se ha usado polielectrolitos sólos (sin adición de coagulantes metálicos) lo que por lo general aumenta la carrera de filtración, pero en algunas oportunidades produce aglutinamiento del lecho filtrante con el consiguiente deterioro del mismo. Por eso, cuando se usa polímeros es indispensable proveer lavado auxiliar además de lavado ascendente ya sea por aire o por agua (fijo o rotatorio).

2.2.4.2.3. Tiempo e intensidad de la agitación

Según Hudson (1965) como el volumen del flóculo producido está en proporción directa con la dosis de coagulante y el flóculo no se compacta significativamente

dentro del lecho, existe una relación inversa entre concentración aplicada y longitud de las carreras de filtración: a mayor dosis, carreras más cortas.

Sin embargo, el volumen del flóculo no depende solo de la cantidad sino de la energía aplicada durante el proceso de floculación. Esto es lo que hace que dicho proceso sea importante en la filtración directa.

A mayor gradiente de velocidad menor volumen del flóculo producido y por tanto debería flocularse con gradiente alto. Sin embargo, hay un límite por encima del cual las partículas coaguladas no siguen creciendo sino que se desintegran y esto es lo que hace que exista un óptimo, que es cuando el número de colisiones es tal que el coeficiente de agregación de partículas influye menos que el coeficiente de rotura. Como los coeficientes de agregación y rotura dependen de una serie de factores que tienen que ver con las características tanto de los coloides como del tipo de productos de hidrólisis formados a los distintos pH, no es posible predecir por anticipado el gradiente de velocidad óptimo para cada caso, el cual debe hallarse por experimentación, ni siquiera si es necesaria o no la floculación previa. McCormick y King (1982) encontraron que la inclusión de la floculación como etapa previa antes de la filtración casi no afecta los resultados. Solo cuando se usan polímeros se nota un mejoramiento debido al mayor tiempo de detención que permite una reacción más completa de estos productos en el agua.

Hutchinson y Foley (1974) encontraron que para gradientes de velocidad constantes

de 20 s-1 un aumento de tiempo de detención de 8 a 18 min producen una reducción

de la carrera de filtración de 10 a 4,2 horas. En su concepto, tiempos de detención mayores de 10 min no son beneficiosos. Ellos trabajaron con gradientes de velocidad muy bajos que permiten la hidratación del flóculo. Estudios posteriores de Hutchinson muestran que tiempos de floculación mayores de 4,5 producen peores efluentes. Trussell y otros (1980) trabajaron con cuatro diferentes tipos de agua floculada, una de

70 s-1 _{y 20 min y otra sin floculación. En dos casos el mejoramiento en la calidad del}

agua fue modesto, aunque aumenta un poco la eficiencia por ligero incremento de la longitud de las carreras de filtración. En otro caso las turbideces efluentes

desmejoraron y en el último, ésta mejoró significativamente. Su opinión es que no existe evidencia contundente de la necesidad de la floculación antes de la filtración. Es importante además la interrelación entre tiempo de detención y gradiente de velocidad, en general a mayor gradiente de velocidad menor tiempo de detención requerido. De lo anterior se concluye que no hay nada definitivo respecto a la necesidad o no de floculación previa a la filtración directa. Este parámetro es específico para cada caso.

2.2.4.2.4. Volumen de flóculo y carreras de filtración

Lo que domina la economía de la filtración es la productividad del filtro por carrera, tal como se explicó al hablar de la tasa de filtración.En filtración directa es frecuente

encontrar bajas productividades de 100 a 200 m3_/m2 _{lo cual se compensa con el}

menor uso de coagulantes y energía.

Sin embargo, cuando las tasas de filtración son muy altas o el contenido de sólidos del afluente es importante, para evitar una disminución antieconómica de la productividad hay que aumentar la capacidad de almacenaje del medio filtrante. Lo cual se hace, aumentando la porosidad del lecho (relación entre volumen de vacios y volumen total del mismo), aumentando la profundidad del lecho, o aumentando simultáneamente ambos parámetros.

La longitud de las carreras de filtración es función de la porosidad y profundidad del lecho, del volumen del flóculo que entra y de la tasa de filtración. Por eso, en filtración directa es frecuente el uso de lechos de arena y antracita más profundos y más gruesos que los convencionales para conseguir carreras más largas y mejores productividades.

La tendencia a incrementar la profundidad de los filtros para filtración directa está basada en el hecho de que a igual relación de profundidad del lecho sobre diámetro de la partícula elevado a un exponente que varía entre 1 y 2, igual eficiencia. Esto implica que si se aumenta el grosor de los granos hay que aumentar también la profundidad.

Al aumentar ambos parámetros el espacio para almacenaje de sólidos se incrementa, con lo cual manejar cargas más elevadas.

2.2.4.2.5. Ventajas y desventajas

Las principales ventajas de la filtración directa son las siguientes:

- El costo de construcción de la planta de tratamiento puede disminuir hasta en

un 50 % con respecto al de una planta convencional.

- El costo de operación es menor porque las dosis de coagulantes aplicadas son

bajas, calculadas para que produzcan coagulación verdadera o sea desestabilización de la doble capa de los coloides por comprensión o neutralización así como por el mecanismo del puente químico, excluyendo la producción de flóculo de barrido que se hace indispensable en la floculación de aguas con bajo contenido de sólidos.

- Los costos de construcción más los de operación de la filtración directa, por lo

general, resultan mucho más favorables que los del tratamiento convencional y presentan menos problemas de funcionamiento a largo plazo.

- El volumen de Iodos provenientes del tratamiento es mucho más pequeño que

en el sistema convencional. Las desventajas, son:

- Se requiere un sistema de control de la dosificación química más cuidadoso, ya

que pequeños aumentos o disminuciones, a veces de sólo 1 mg/l pueden afectar la calidad del filtrado.

- La aplicación de la filtración directa es limitada a aguas poco cargadas y con

escasa variabilidad.

- Pueden producirse carreras cortas, en especial cuando las dosis de

coagulantes requeridas exceden de 15 mg/l o existen grandes concentraciones de algas obstructoras de filtros (diatomáceas).

- El tiempo de contacto total para el tratamiento es relativamente corto lo que implica que debe reaccionarse rápidamente ante las modificaciones de calidad del agua bruta.