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........Literatura>>>Filtración de sólidos suspendidos

Se entiende por filtración al proceso de eliminación de materia suspendida en el agua mediante su paso a través de un material poroso, pudiendo este estar compactado en un filtro, o presente como un medio dentro de un recipiente. Los recipientes pueden ser carcazas, y estar fabricadas en plástico, fibra de vidrio, acero inoxidable, acero al carbón, materiales compuestos o (en el caso de sistemas grandes) pueden ser construidos en concreto.

La materia en suspensión (sólidos suspendidos) está compuesta principalmente por partículas o gránulos de tierra, arena y sedimentos, pero también incluye organismos vivientes como algas, bacterias, virus y protozoarios.

(a) Microgránulos
(b) Protozoo
(c) Algas
(d) Zooplancton

Figura 1. Diferentes tipos de materia orgánica y partículas.

Para poder remover este tipo de contaminantes se requiere del uso de filtros de agua, los cuales podemos clasificar muy generalmente en tres tipos.

Filtros de gravedad

El primer tipo de filtración, y el más antiguo, es conocido tradicionalmente como filtro asistido por gravedad. En su expresión más sencilla, es básicamente una cisterna con su parte superior abierta que contiene agua, un medio filtrante granular, y accesorios en su parte inferior que permiten recolectar el agua filtrada. Debido a las dimensiones que requieren estos filtros, normalmente se construyen en concreto u hormigón. Los filtros de arena lentos son una variación de los filtros asistidos por gravedad, la estructura física de ambos es similar, pero los filtros lentos de arena utilizan procesos biológicos, además de los físicos para remover del agua partículas suspendidas.

Filtros de presión

El segundo tipo de filtración se conoce como filtración a presión, ya que utiliza unidades cerradas por las cuales se circula agua con la presión generada por una columna de agua, un grupo de bombeo u otra fuente de presión.

Ejemplos típicos de estas unidades son los filtros de piscina. Existen en diversos tamaños, y pueden ser fabricados en una amplia variedad de materiales, como fibra de vidrio, acero al carbón, acero galvanizado o acero inoxidable.

Dentro de esta categoría, los filtros difieren en su función y modo de operación, ya que pueden ser de operación manual o automática. El nivel de automatización básicamente se refiere a la manera en que se realizan los retrolavados o mantenimiento del filtro, el mismo que en su forma más sencilla requiere que la unidad sea completamente desarmada, y luego sea rellenada con material nuevo. Normalmente se utiliza en filtros cuyo material filtrante cumple una función específica como corrección de pH, liberación de anti-incrustante o de algún desinfectante en base a demanda.

Luego tenemos filtros semi-automaticos, que disponen de una válvula en la parte superior, la cual al ser cambiada de posición redirige los flujos dentro de la unidad, fluidizando y suspendiendo el lecho, de manera que los sedimentos atrapados dentro del mismo sean removidos y enviados al drenaje.

Normalmente disponen de varias opciones como lavado, drenaje, servicio, bypass (los modelos más complejos pueden llegar a tener hasta siete funciones en su módulo de control).

Por ultimo, los filtros de operación automática utilizan desde sencillas turbinas para iniciar los lavados en base a la cantidad de agua producida, hasta las unidades controladas por computadoras (PLC o controlador lógico programable) y que monitorean constantemente los parámetros de calidad del agua producida. Uno de los aspectos más interesantes de los filtros que utilizan medios filtrantes o lechos, es la variedad que existe de los mismos.

Como se verá líneas abajo lo que los hace diferentes es la aplicación que se les da y el material filtrante con el que se les llena.

Filtros sencillos

El tercer tipo de filtros representa los cartuchos o elementos que se instalan en los portafiltros, y que son de fácil mantenimiento y operación. Estos pueden ir desde 10 hasta 40 pulgadas de longitud, y pueden proveer una buena filtración, incluso en niveles muy bajos de micraje. El tipo de materiales con los que se construye este tipo de filtros también es muy variado y abarca polímeros o materiales plásticos como el polipropileno, polietileno, etc.

Otros métodos de remoción

La filtración es normalmente el paso final en el proceso de remoción de sólidos, que dependiendo de cuál sea la fuente del agua, puede incluir etapas de pretratamiento como coagulación, floculación y sedimentación. Estas etapas dependen del tipo de partículas que se encuentren dentro del agua. Esas partículas que hacen que el agua se vea turbia u oscura, normalmente tienen una carga eléctrica negativa en su superficie. Esta carga hace que las partículas se repelen entre sí, de manera que permanezcan en suspensión, en vez de agruparse y asentarse. El efecto del coagulante es neutralizar la carga negativa de las partículas en suspensión (desestabilizar las partículas). Para que el coagulante tenga efecto, es necesario proveer de una agitación suave al agua, de manera que provoquemos que las partículas pequeñas ya coaguladas colisionen con otras partículas similares, produciendo así un flóculo cada vez mayor, que será más fácil de asentar o filtrar. Una vez que el coagulante ha sido inyectado y el flóculo formado, se podrá utilizar un sedimentador, cuyo propósito es remover la mayor cantidad de flóculos y otros materiales suspendidos antes de que el agua llegue a los filtros.

Tamizar lo real

La manera más fácil de visualizar un filtro, es comparándolo con una malla o un tamiz, en el cual se quedan retenidos los sólidos. Mientras mayor sea el tamaño del ojo del tamiz o malla, mayor cantidad de sólidos dejará pasar. Los filtros con menor tamaño de tamiz (menor micraje), son los que más sólidos suspendidos retienen, y por lo tanto, los que más rápido requieren de un recambio o lavado, debido a que rápidamente se taponean. Dado que el tamaño de los sedimentos es muy pequeño, se utiliza una unidad de medida especial para indicar qué nivel de filtración provee un determinado filtro. Esta unidad de medida se conoce como micra (μm) y representa 1/1,000 de un milímetro. Existen dos tipos básicos de sedimentos, aquellos que pueden ser fácilmente removidos debido a su tamaño y naturaleza, tales como la arena o sedimentos gruesos. Otros contaminantes, sin embargo, son tan pequeños que pasarán a través de cualquier medio físico con el que se les quiera detener. Estas partículas normalmente presentan una carga eléctrica o iónica, que hace que permanezcan en suspención, y no se agrupen o sedimenten. Este tipo de sedimento es fácil de determinar, cuando al tomar una muestra de agua y dejarla en un recipiente se puede observar que no se asienta la turbiedad en el fondo.

MEDIOS FILTRANTES

Dependiendo de la necesidad, se puede configurar un mismo sistema para que realice diferentes operaciones con sólo cambiar el lecho dentro del mismo. Para mencionar algunos ejemplos:

Arena
La arena lavada y clasificada según su densidad es usada para la remoción de sedimentos. Es un medio inerte y tiene un largo periodo de vida, resistente a la presión o turbulencia, características de los retrolavados y es ampliamente utilizada.

Carbón Activado
Existen varios tipos de carbón (el que se obtiene de minas como la antracita, de huesos de animales, de madera o cáscara de coco). El material es sometido a altas presiones y vapores, o expuesto a diferentes tipos de solventes, de manera que se crean cavidades en el carbón, brindándole esto una alta superficie de área con una muy buena capacidad adsorbente. Su principal aplicación es mejorar el sabor y olor del agua, mediante la remoción de compuestos orgánicos, oxidantes y metales pesados.

Alúmina Activada (AA)
Es una mezcla especial de óxido de aluminio que promueve un intercambio de iones en su superficie, mediante la que libera hidróxidos a cambio del anión contaminante, que puede ser flúor, arsénico, selenio, sílica y algunos ácidos húmicos. Todo esto, a través de un proceso de adsorción, mediante el cual una substancia se adhiere a la superficie de otra. Se requiere su regeneración con hidróxido de sodio, y su eficiencia es muy dependiente del nivel de pH en el que trabaje, siendo su punto óptimo entre 5.5 y 6.

Arena Verde de Manganeso
Conocido en inglés como manganese greensand, se utiliza principalmente para oxidar y filtrar el hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno (H2S). El medio está cargado de un oxidante que cambia a los contaminantes mencionados de su estado soluble a insoluble, para luego retenerlos en el medio. Se requiere de su regeneración con permanganato de potasio (KMnO4) el que regenera la capacidad oxidante del medio.

Antracita
Es uno de los medios filtrantes más empleados, básicamente es carbón activado triturado y tamizado con gránulos que van desde 0.5 μm hasta 3μm. Es un buen complemento para los filtros de lecho profundo o multicama, en compañía de arena o arena verde de manganeso.                                                                                

Birm®
Nombre comercial para un medio cubierto con dióxido de manganeso, que es capaz de actuar como oxidante y catalítico. Esto hace reaccionara el oxígeno disuelto del agua con el hierro y manganeso presentes, oxidándolos, y de esta manera precipitándolos (estado soluble a suspendido o insoluble) para luego retenerlos en la superficie del lecho.

Pyrolox®
Marca de un medio filtrante de dióxido de manganeso, usado para la reducción de hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno (H2S). Al igual que el Birm, funciona como catalizador de la oxidación. Requiere de oxígeno en el agua y retrolavados fuertes y frecuentes.

Corosex®
Marca de un óxido de magnesio altamente reactivo, que se utiliza principalmente para neutralizar al dióxido de carbono (CO2) presente en el agua. Se utiliza en condiciones de alto flujo, y sus limitaciones incluyen la tendencia a sobrecorregir en aplicaciones de bajo flujo o de uso intermitente. Además, en aguas con presencia de dureza media o alta, el calcio puede precipitarse, resultando en un compactamiento no deseado del medio.

Los filtros que utilizan un medio granular, no removerán eficazmente la materia fina suspendida, a menos que se utilice un pretratamiento de floculación. Sin este, el filtro funcionará solamente como una malla que retendrá las partículas gruesas, mientras las partículas finas se escurrirán y atravesarán al filtro sin ser removidas. Es necesario entonces, añadir un agente coagulante como sulfato de aluminio, el cual después de una mezcla rápida, forma un flóculo, generalmente en forma de un precipitado gelatinoso que tiene la apariencia de un copo de nieve hasta de 1 milímetro de diámetro y que conforme se desplaza en el agua tiende a atrapar a las partículas más pequeñas suspendidas en el agua.

Calcita
Es un compuesto natural de carbonato de calcio (CaCO3), el cual se disuelve en proporción al pH presente en el agua. Una vez que el agua es neutralizada, es decir, que su pH ha sido corregido, el medio deja de disolverse. Conforme se disuelve, también incrementa los niveles de dureza. La cantidad de calcita requerida para nivelar el pH de determinado tipo de agua esta ligado a la presencia del CO2 en la misma.

KDF55® y KDF85®
Es el nombre comercial de una aleación especial de cobre y zinc, la cual utiliza el potencial de oxidación y reducción (redox) para la remoción de cloro y metales pesados del agua. Se le considera como un medio bacteriostático, el cual inhibe el desarrollo de microorganismos dentro del medio. Trabaja mejor dentro de un pH entre 6.5 y 8.5.

Macrolita®
Marca de un medio de cerámica, la que provee una remoción de sólidos hasta 5 μm. Depende de la adsorción y la retención física como mecanismos primarios. La forma redondeada del medio provee una matriz uniforme de espacios intersticiales entre los gránulos, lo cual le brinda sus excelentes características de remoción de sedimentos en función de flujo.

 TIPOS DE FILTROS DE CARTUCHO

Polipropileno Inyectado o Poly Spun

Conocidos como polipropileno fundido, en este proceso se produce un filtro que tiene una buena resistencia estructural. Aun cuando carece de un eje de soporte, es un producto de fabricación masiva y de bajo costo.

Hilados

Básicamente, es un cordón de algodón o polipropileno que se enrolla alrededor de un eje central hueco. Dependiendo de qué tan fuerte o suave se enrolle el cordón, se pueden obtener varios niveles de remoción de sólidos en un mismo elemento. Son de fácil construcción y muy económicos.

Plegados o plisados

Estos elementos se construyen utilizando diversos materiales que pueden ir desde celulosa hasta fibras sintéticas, y acomodados en forma de acordeón alrededor de un eje central. Están sellados en sus partes inferiores y superiores para proveer una muy buena filtración.

Plegados de Carbón

Son cartuchos plegados a los que se ha impregnado con polvo de carbón activado. Esta configuración permite remover sólidos y mejorar el sabor y olor del agua mediante la remoción de materia orgánica y compuestos oxidantes.

Carbón Activado Granular

Básicamente, es un envase en el que se coloca carbón activado granular. Se instalan tamices al ingreso y a la salida del filtro para prevenir la migración del carbón. Se recomienda su uso en caudales pequeños.

Carbón Activado en Bloque

Estos filtros pueden ser moldeados o extruidos. El carbón activado se mezcla con químicos, de manera que forme un compuesto que—una vez moldeado o extruido—mantenga su consistencia, proporcionando una muy buena capacidad de adsorción combinada con una buena remoción de sólidos en una misma unidad.

Clasificación por micrón

Aplicación

Sub-micrón

Virus, bacteria, coloides, asbestos

1

Cryptosporidium, Giardia*, cieno

5

Agua potable, prefiltro para filtro de 1-μm

10

Filtro de sedimento final para agua de proceso

20

Pre-filtro, tamaño más pequeño visible al ojo

50

Sistemas de caldeo y refrigeración de circuito abierto

* Clasificación absoluta: Una clasificación absoluta del filtro significa que 99.9% (o prácticamente el total) de las partículas de mayor tamaño que la clasificación por micrón especificada quedarán atrapadas en o dentro del filtro. Como comparación, una clasificación nominal del filtro indica que la mayoría (interpretado como 85%) de las partículas de igual tamaño que la clasificación por micrón serán retenidas por el filtro.

Filtros convencionales

En un filtro convencional, la arena más fina y liviana se encuentra en la parte superior, mientras las partículas más pesadas y grandes permanecen en la parte inferior después de los retrolavados, por lo que la filtración sucede sólo en las pocas pulgadas superiores del filtro. Los filtros de medios múltiples son diferentes, ya que las partículas más grandes pero menos densas permanecen en la parte superior, mientras las partículas más finas pero más pesadas permanecen en la parte inferior.

La práctica de añadir diferentes tipos de medios entre 3 y 5 μm, brinda mayor flujo de servicio y mejores niveles de filtración. El medio es clasificado y colocado en base a su densidad en un orden inverso. Esto significa que pondremos el lecho con partículas más pequeñas y densas al inicio, y al medio con las partículas más livianas, y menos en la parte superior. De esta manera, atraparemos las partículas de sedimento más grandes en la parte superior del filtro, y las partículas más pequeñas conforme atraviesan los diversos medios. Debido a que los medios están diferenciados por su densidad, después de retrolavarse los diversos materiales, se busca su posición original correspondiente a su peso específico.

El problema para elegir un determinado filtro se reduce a conocer el tipo de contaminante que se desea eliminar y, de esta forma, seleccionar el material filtrante correto, que al distribuirse de esta manera permite el uso de todo el lecho filtrante, y no sólo de unas cuantas pulgadas en la parte superior. Los materiales más utilizados para los filtros de lecho son arena, antracita y grava.

Estos filtros de lechos múltiples pueden operar por periodos más largos de tiempo antes de requerir limpieza, ya que el filtro puede retener más turbiedad en su medio, medido como unidades nefelométricas de turbiedad (NTU o UNT). Los filtros de lechos múltiples son más apropiados para sistemas de presión en tanques cerrados, ya que permiten obtener flujos mayores que los que consiguen con gravedad solamente, además su modularidad y facilidad de mantenimiento permiten su uso en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo su operación en pequeñas comunidades. Para los filtros de cartucho o elemento, los materiales más utilizados son el polietilieno, polipropileno, carbón activado, celulosa, poliester, resinas y algodón. Generalmente, estos filtros son instalados en los puntos de uso (POU* o PDU) final, ya que producen una pérdida significante de presión y su costo de reemplazo es elevado, por lo que no se utilizan para filtrar caudales grandes de agua. Para cualquier duda consultenos…

Bibliografía
- Filtración de Sólidos Suspendidos. Guime, Fernando., Volumen 2 - Número 5, 1 de Septiembre de 2002, Paginas 20-25

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