Filtración del agua: Mecanismos de filtración y medios filtrantes

¿Cómo funciona la filtración del agua?

La filtración del agua es el proceso que tiene como objetivo principal el de eliminar (remover) o capturar partículas suspendidas o Sólidos Suspendidos (SS) que incluyen: disminución de la turbiedad del agua, eliminación de óxidos metálicos y la retención de partículas orgánicas. Los microorganismos también pueden ser retenidos.

Mecanismos de filtración en medios granulares

  1. Cernido (Mecánico y/o oportunidad de contacto). Es el más importante sólo o en combinación con otros mecanismos de remoción.
  2. Sedimentación
  3. Impacto
  4. Intercepción
  5. Adhesión
  6. Floculación
  7. Adsorción Química (enlazamiento e Interacción Química)
  8. Adsorción Física (Fuerzas Electrostáticas, Electrocinéticas de Van Der Waals)
  9. Crecimiento Biológico

Medios de filtración más comunes:

Entre los medios de filtración más utilizados cabe destacar:

Filtros de arena

En 1872 los primeros Filtros Granulares de arena llamados filtros lentos se empezaron a usar en Estados Unidos. Se operaban a una carga o velocidad de filtración de 0.05 gpm/pie2. La capa más superficial del filtro es la que realizaba el trabajo de retención de partículas cuya concentración debería ser menor de 10 UTN (Unidades de Turbiedad Nefelométricas equivalente a las antiguas Unidades Jackson). Los filtros lentos se limpiaban manualmente rastrillando la superficie del filtro .

Los filtros rápidos de arena se caracterizan por una filtración a una profundidad de 15 – 25 cm, así como que pueden ser retrolavados, operan con una carga o velocidad de filtración mayor de 2.0 gpm/pie2.

Filtros Profundos con un sólo Medio de filtración de hasta 1.80 m de profundidad con un tamaño de partícula mayor que el usado en los filtros lentos de arena.

Filtros de antracita:

Los primeros filtros con antracita se construyeron antes filtro-multimediade 1930 la cual se obtenía del drenado de algunos ríos en Pennsylvania. Normalmente la antracita así obtenida se utilizaba tal cual en los filtros, sin embargo en algunos casos se molía y se tamizaba antes de usarla en los filtros.

Después de 1930 se realizaron estudios por el Anthracite Institute y el Pennsylvania State College en los que se demostraron las ventajas de ese tipo de Carbón especialmente seleccionado de acuerdo con la correcta dureza, tamaño y forma por sobre los otros medios filtrantes conocidos especialmente la arena sílica y la arena de cuarzo con los beneficios siguientes :

  • Corridas de Filtración más largas
  • Mayores velocidades de Filtración
  • Menos consumo de agua de lavado
  • Menor costo de flete

La evaluación de la relación Profundidad del Medio Filtrante (L) al tamaño efectivo del Medio (d), después de décadas de estudio del diseño y desempeño de los filtros se ha encontrado que la clave es la relación L/d con un valor de 1200.

El desarrollo de una alta área superficial con Media Filtrante de Cerámica y el uso de tecnologías para medir el área superficial presenta una alternativa a la convencional L/d permitiendo media o medios filtrantes menos profundos con más área superficial, mejor desempeño de los filtros y una mejor Unit Filter Run Volumes (UFRV) o corridas de filtración que los filtros de grano fino de los filtros convencionales.

La teoría general establece que con más granos filtrantes y de menor tamaño mejor filtración. Iwasaki (1937) presentó un modelo matemático que entre mayor relación L/d mayor eficiencia en la filtración. Esta teoría fue validada por Wegelin et al (1986).

Esta teoría tiene limitaciones tanto por el tamaño del medio filtrante como por su profundidad , cuando el grano es muy pequeño la pérdida de carga del filtro para su limpieza es impráctica y las corridas de filtración muy cortas debido a la superficie del filtro que se ensucia rápidamente . Por ejemplo para arena de 0.5mm de tamaño y 610 mm de profundidad , la L/d = 1220 el retrolavado puede ser práctico pero la superficie se ensuciará rápidamente . Si se usa arena con una L = 1827 mm y de d = 1.5 mm la L/d = 1218 la calidad puede ser similar a la del filtro con granos finos pero la profundidad puede ser impráctica .

En plantas con clarificación se puede usar un filtro dual con 600 mm de L de 0.9 mm de Tamaño Efectivo (ES, Effective Size) de Antracita sobre o encima de 300 mm de L de 0.5 mm de arena la L/d = 1283 .

La selección de la capa superior de medio filtrante es crítica para obtener UFRV aceptables . El área superficial es uno de los factores preponderantes para una filtración efectiva, su medición (de los receptores o granos) es algo que usualmente no se ha considerado, para ello se usa adsorción con Nitrógeno o con Helio y como referencias de prueba la Antracita o Carbón Activado Granular (CAG o GAC en inglés) .

Los poros de los medios filtrantes se clasifican en tres categorías por su tamaño; Microporos < 2 nm (nanómetros , 1 nm = 10-6 mm) , Mesoporos 2 – 50 nm y

Macroporos > 50 nm [Sing et al. 1985]. El Nitrógeno es ideal para medir poros en el rango de 0.3–300 nm. El Mercurio se usa mejor para porosidades de 300 nm .

Filtros Modernos en el siglo XXI :

1.- Filtros de Arena – Antracita

2.- Filtro Multimedia

3.- Filtros con Zeolita

4.- Filtros de Flujo Cruzado (2009) , CrossFlow MF1.0

Hay dos aspectos a considerar principalmente un retrolavado efectivo con aire – agua y el acondicionamiento efectivo con polímero. Para velocidades de filtración de hasta 15 gpm / pie2 .

Para saber cómo seleccionar el medio filtrante, pincha aquí!

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