Lección 44: Parámetros de diseño

Tasa de filtración.

 

La tasa de filtración debe ser cuidadosamente escogida teniendo en cuenta las características del lecho filtrante, las condiciones de operación de la planta y la calidad del agua que se desea producir. No obstante la existencia de recomendaciones de tipo general, se considera que la forma más racional de determinar la tasa de filtración es mediante la experimentación en plantas piloto que trabajen en condiciones similares a las que se requiere que prevalezcan en el proyecto. Sin embargo investigaciones reportan rangos en que pueden estar las tasas de filtración, la Tabla 38 y la Tabla 40, presenta algunos valores de tasas de filtración recomendados (filtration rate).

 

Número de filtros.

 

El número mínimo de unidades depende del tamaño que se quiera dar a cada una y de la tasa de filtración, para un determinado caudal de diseño de la planta. Lo más económico seria hacer una sola unidad, pues el número de tabiques, válvulas, etc. seria mínimo. Sin embargo, por razones de operación deben existir varias unidades, de forma que el caudal que filtra una unidad cualquiera pueda ser distribuido entre las demás, en caso de reparación, mantenimiento o limpieza, sin que se llegue a sobrepasar el valor de la máxima tasa de filtración permisible. Por otra parte, considerando la operación de lavado, es preferible tener varias unidades de filtración ya que esto reduce el caudal de agua necesario para producir una determinada expansión del lecho, así, en el caso de utilizarse el sistema de filtros auto lavantes, se requieren por lo menos cuatro unidades para que las tres unidades que permanecen en operación sean capaces de abastecer el caudal de lavado de aquella que está en mantenimiento.

 

Cuando el lavado de los filtros se hace con fuente externa (tanque de lavado), el número mínimo de unidades deben ser tres; y para lavado mutuo el número mínimo de unidades debe ser cuatro.

 

Existen varias fórmulas para calcular el número de filtros, tal como la propuesta por Morril y Wallace :

 

 

Donde:

N = Número de filtros

Q = Caudal total de filtración [m3/d]

 

 

Forma y dimensiones de los filtros.

 

Los filtros usualmente son de planta cuadrada o rectangular. Las dimensiones en planta son establecidas teniendo en cuenta que la geometría de los filtros se acomode al esquema general de la planta tratando de aprovechar los muros de las otras unidades, con lo que se logra máxima economía de la estructura.

 

El largo y el ancho del área superficial pueden definirse utilizando las siguientes relaciones (27):

 

                                                                            

                                                                                

 

Donde:

 

N = Número de filtros

B = Ancho del filtro [m]

L = Largo del filtro [m]

El área superficial total de filtros se determina mediante la siguiente fórmula:

 

 

                                                                      

Donde:

AT         = Area total de filtración [m2)

Q         = Caudal de la planta [m3/d]

q          = Velocidad de filtración media [m3/m2.d]

 

Una vez hallada el área total de filtración y definido el número de unidades se puede encontrar el área superficial de cada filtro.

 

Profundidad de las unidades:

 

La profundidad de las unidades está determinada por la altura de la estructura de drenaje, el espesor de la grava de soporte y del lecho filtrante, el nivel máximo de la altura del agua dentro del filtro y el borde libre. Por lo general la altura total de un filtro autolavante está comprendida entre 4,0 y 4,5 m.

 

 

Altura del agua sobre el lecho.

 

La altura del agua sobre el lecho puede ser variable o constante, según el tipo de control que se use pero no puede ser inferior a 0.5 m. El lecho filtrante en ningún momento debe trabajar seco.

 

Pérdida de carga.

 

La hidráulica del filtro debe diseñarse para que como mínimo pueda disponer de 2 m de pérdida de carga durante la carrera de filtración. La sumatoria de los descensos de nivel en un filtro de tasa variable declinante durante la carrera debe ser por lo menos igual a 2.0 m.

 

Hidráulica de la filtración.   

 

Durante el proceso de filtración se presentan en el lecho dos tipos de pérdida de carga: una pérdida de carga inicial y una pérdida de carga acumulada debida a su  colmatación.

La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua filtrada.

 

La pérdida de carga inicial se presenta adicionalmente en la grava de soporte, en la estructura de drenaje y en las estructuras, pasos, compuertas. etc. que conduce el agua filtrada. Algunos valores de pérdida de carga se observan en la Tabla 40.

 

Tabla 40. Criterios generales de diseño filtros

 

PARÁMETRO

VALOR

CRITERIOS GENERALES

 

CARGA SUPERFICIAL  tasa de filtración (CS)  m3/m2*d

 

120 - 360

Velocidad óptima de lavado              

0.8 – 1.2 m/min

13 – 20 mm/s

 

Tiempo de lavado T1                           

 

 5 – 15 min

PARA FILTROS LENTOS EN ARENA:

 

 

Tasa de filtración                               

2 - 12

2.4 – 7.2 m/d (RAS 2000)

 

Duración de la carrera                                  

20 – 60d

Profundidad del medio                                  

 

0.6 – 1m

0.8 – 1 m(RAS 200)

 

Profundidad de la grava                    

0.3 m

 

Pérdida de carga                   

 

< 1.2 m

< 1 m (RAS 2000)

CRITERIOS PARA FILTROS RÁPIDOS

 

Tasa de filtración                               

120 - 480 m/d (RAS 200)

 

Duración de la carrera                                  

12 – 36 h

Profundidad del medio                                  

 

0.6 – 0.75m

 

0.4  -0.6m de antracita y 0.15- 0.3 m de arena

 

Profundidad de la grava                    

0.3 -0.45 m

 

Pérdida de carga                   

 

2.4 – 3m

>2.0 m (RAS 2000)

Porcentaje de agua de lavado

2 – 6%

Separación entre canaletas

1.5 – 2.1 m

 

Fuente (Villegas de Brigard, 2008)

 

La Fig. 78, muestra el esquema del filtro rápido de tasa declinante autolavante.

 

Fig. 78. Esquema de un sistema de filtración con tasa declinante sin almacenamiento sustancial aguas arriba de los filtros

Fuente: Elaboración propia