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En general, se considera la filtración como el paso de un fluido a través de un medio poroso que retiene la materia que se encuentra en suspensión. En las principales instalaciones de filtración, los filtros sueles ser abiertos, mientras los filtros cerrados suelen utilizarse para instalaciones pequeñas (menor de 40m3/h).

En las instalaciones de filtración de las estaciones de tratamiento de agua, el medio poroso suele ser generalmente arena, arena + antracita o bien carbón activo en grano, y la materia en suspensión está constituida por flóculos o microflóculos procedentes de la etapa anterior de decantación o bien formados expresamente cuando se sigue el proceso conocido como "microfloculación sobre filtro" o filtración directa". Los filtros de estas instalaciones, generalmente son abiertos, con velocidades de filtración entre 6 y 15 m/h, empleándose los filtros cerrados a presión en instalaciones pequeñas (menores de 50 m3/h).

El espesor de la capa de arena suele oscilar entre 0,7 y 1 m. y la talla efectiva entre 0.8 y 1mm con un coeficiente de uniformidad entre 1,5 y 1,7. En el caso de lechos bicapa, el espesor de arena es 1/3 del total y sobre ella una capa de antracita de 2/3 del espesor total y talla efectiva entre 1,2 y 2,5mm.

Realmente, el espesor y granulometría depende de la velocidad de filtración, del tamaño y naturaleza de las partículas que van a ser retenidas y de la pérdida de carga disponible.

La velocidad de filtración, para el caso de filtración rápida, suele ser del orden de 5 a 15 m/h (m3/m2/h).

Uno de los parámetros más indicativos del comportamiento del filtro es la turbidez del agua filtrada. Al comenzar el período de filtración, partiendo de un lecho filtrante limpio, hay un período inicial de tiempo, relativamente corto, conocido como "período de maduración" en el cual la turbidez del agua filtrada va disminuyendo hasta alcanzar un punto a partir del cual la turbidez se mantiene casi constante un período largo de tiempo, que dependerá de la altura de capa del lecho.

Continuando la filtración, se llegará aun punto a partir del cual la turbidez inicia un incremento, conociéndose este punto como el comienzo del "período de perforación" del filtro.

La pérdida de carga, que en el caso de un filtro, en definitiva nos indica el grado de dificultad que encuentra el agua a su paso a través de la arena, nos sirve para hacer un seguimiento del estado de atascamiento del lecho de arena con el transcurso de tiempo de filtración. Al construir los filtros, se fija la pérdida de carga máxima a la que podrá llegarse, y deberá ser tal que el tiempo que tarda en alcanzarse, sea igual o ligeramente inferior al tiempo, al cabo del cual se alcanzará la perforación del filtro, de esta forma, se aprovecha el atascamiento de la casi totalidad de la altura del lecho de arena previsto.

Para conseguir una tasa o velocidad de filtración constante, se pueden utilizar filtros que operan a nivel constante, con regulación aguas arriba y abajo mediante flotadores, válvulas de mariposa o sifones, o bien, emplear filtros de nivel variable, en los cuales, este nivel va aumentando a medida que aumenta la pérdida de carga como consecuencia del atascamiento o colmatación del lecho filtrante.

Llegado el momento de la máxima pérdida de carga de alguno de los filtros que forman la instalación, se interrumpe la entrada de agua a filtrar y se procede al lavado a contracorriente, que consta de tres fases: 1) Esponjamiento del lecho con aire a baja presión (entre 30 y 60 segundos). 2) Lavado con aire y agua (entre 3 y 6 minutos) y 3) Aclarado con agua (entre 12 y 7 minutos).

En la figura siguiente se representa el esquema de un filtro (de nivel constante) con indicación de los flujos de filtración y de lavado a contracorriente así como los niveles de filtración y de lavado.

En el lavado a contracorriente, el lecho de arena se expande y el aire provoca que los granos de arena al rozar uno contra otro se desprendan de las partículas retenidas, que después serán arrastradas por el agua de lavado hacia los vertederos o canales de recogida del agua de lavado. El proceso de lavado finaliza cuando esta agua resultante del lavado no muestra apenas partículas en suspensión.

Respecto a la evolución de la pérdida de carga y la turbiedad del agua filtrada y su interrelación, consideremos, según se representa en las gráficas siguientes, un filtro con una pérdida de carga máxima, por construcción de 2,5 m. (columna de agua), tal pérdida de carga, para un espesor dado de arena, se alcanza en el punto Pl, al cabo del tiempo t1.

Por otra parte, consideremos la evolución de la turbiedad del agua filtrada; al llegar al tiempo t2, el

filtro ha llegado a la perforación , correspondiéndole una turbiedad dada por el punto M2 , dado que

t2 es menor que t1, el filtro continúa filtrando , ya que no se ha alcanzado aún la perdida de carga

máxima . Esto nos indicará que el filtro está mal concebido y habrá que aumentar el espesor de arena , de forma que la perdida de carga máxima se alcance antes , por ejemplo al cabo del tiempo t1 , donde todavía no se ha llegado a la perforación del filtro y la turbiedad , punto M1, continúa

aún en valores aceptables.

Un filtro rápido consiste en un lecho de material grueso, tal como arena, de profundidad variable entre 300 mm y varios metros. La cinética de la eliminación de las partículas de tamaño inferior al de los huecos en el lecho, han sido descritos considerando dos etapas: una de transporte, y otra de fijación.

El transporte hasta la superficie del medio filtrante puede producirse por difusión, intercepción, sedimentación, choque o transporte hidrodinámico. El proceso de transporte está ayudado por la floculación que tiene lugar en los intersticios del filtro y por la distancia relativamente corta de recorrido necesaria para la eliminación por sedimentación.

La fijación de las partículas después de entrar en contacto con el medio filtrante, es de naturaleza química y está influenciada por el pH, composición iónica del agua, edad del floc, naturaleza y dosis del polímero, y la composición y condición de la superficie del medio.

Tanto el medio filtrante como las partículas suspendidas del agua a filtrar pueden tener cargas eléctricas relativamente importantes, las cuales pueden ayudar o inhibir la fijación. Estas cargas de superficie pueden verse alteradas tanto por cambios en el pH como por la adición de coagulantes de naturaleza química.

La eliminación de las partículas en un filtro de medio granular, tiene lugar de la siguiente forma:

1.La cantidad de partículas eliminadas por una capa de medio filtrante es proporcional a la concentración de aquellas que entra en la capa.

2.El rendimiento del filtro varía con el tiempo, aumentando al principio para disminuir posteriormente.

3.La cantidad de partículas eliminadas por una capa de medio filtrante es igual a la cantidad acumulada en los poros del filtro.

4.Cada capa del medio alcanza con el tiempo un punto, a partir del cual ya no se produce una clarificación de la suspensión y la concentración de partículas entrantes es igual a la de salientes.

5.La condición de equilibrio se alcanza, primeramente en la capa en la que se produce la alimentación del filtro, y va progresando a través de éste en la dirección del flujo.

No hay un acuerdo sobre si la condición de equilibrio se alcanza al no haber una retención de partículas entrantes o por una combinación de deposición y arrastre. Existe evidencia experimental

en apoyo de ambas teorías, por lo que parece posible que haya diferentes mecanismos para diferentes tipos de suspensiones.

A medida que se van saturando con el material retenido las sucesivas capas del filtro, la pérdida de carga a través del lecho irá aumentando debido a la obstrucción del flujo. Si la pérdida de carga llega a ser excesiva, puede producirse un vacío parcial en el seno del medio que dé lugar a la formación de burbujas de aire a partir de gases que abandonan la fase líquida. Esta formación de burbujas resulta en una restricción adicional del flujo, incrementando la velocidad de paso y la pérdida de carga y puede dar lugar a un arrastre de las partículas retenidas en el medio.

Las partículas de mayor tamaño y fuertemente ligadas tienen tendencia a ser retenidas en las capas superiores del filtro, dando lugar a grandes pérdidas de carga y poca penetración del floc.

Este fenómeno es especialmente pronunciado cuando el medio filtrante es fino. Las partículas suspendidas más finas tienen tendencia a penetrar más en los filtros, especialmente cuando el medio es grueso, distribuyendo de esta forma la reducción de la capacidad de circulación del flujo y dando lugar a menores pérdidas de carga para eliminaciones equivalentes durante períodos de tiempo iguales.

Puesto que cuando el material filtrante es de mayor tamaño cabe esperar mayores penetraciones, lógicamente los lechos de materiales gruesos deben tener más espesor y la experiencia así lo ha demostrado. La teoría de la filtración lleva a la conclusión de que el parámetro más importante es el área del medio filtrante, pero puesto que aquella es función del tamaño de las partículas del medio y de su profundidad, se puede concluir que un aumento del tamaño de las partículas del medio necesita de un incremento del espesor.