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MSc. María Alejandra Caicedo Londoño

Unidad 1: Tratamiento

Agua potable

Tratamientos Físico-Químicos

Unidad 1: Tratamiento agua portable Plantas de tratamiento

Clasificación de los tratamientos de agua

potable

Tratamientos físicos• Desbaste

• Sedimentación

• Flotación

• Aireación

• Filtración

Tratamientos

químicos• Coagulación

• Precipitación

• Adsorción

• Oxidación

• Cambio iónico

• Desinfección

Contenido

1. Conceptos básicos

2. Mecanismos de filtración

3. Especificaciones de diseño

4. FiME

Plantas de tratamientoUnidad 1: Tratamiento agua portable

Plantas de tratamiento

FILTRACIÓN

Proceso mediante el cual se remueven las partículas suspendidas y

coloidales del agua al hacerlas pasar a través de un medio poroso.

Objetivo: Separación de partículas suspendidas del agua debido a

su retención en un medio poroso

Unidad 1: Tratamiento agua portable


FILTRACIÓN

Las partículas son retenidas en la superficie a lo largo de todo el

espesor del lecho filtrante (material granular)

La idea es eliminar partículas de muchos tamaños: algas, coloides,

fibras de asbesto, arcillas, etc.



FILTRACIÓN. APLICACIÓN

• ETAP: Elimina los sólidos que se escapan tras el proceso de

coagulación / floculación / sedimentación

• EDAR: Casi no se utiliza. Sólo en aquellas cuyo efluente contiene

un alto contenido de N y P en los SS (y vierten a zonas sensibles)



ESQUEMA FILTRO

CONVENCIONAL


FILTRACIÓN. OPERACIÓN

FILTRACIÓN + LAVADO DE LECHO

• FILTRACIÓN:

Se hace pasar el agua a tratar a través del lecho filtrante

(material granular)

Las partículas quedan retenidas por la acción de los

mecanismos de tamizado, sedimentación

Factores: tamaño de partícula, tamaño del poro y velocidad de

paso



FILTRACIÓN. ELEMENTOS


FILTRACIÓN. OPERACIÓN

FILTRACIÓN + LAVADO DE LECHO

• LAVADO DE LECHO:

Cuando la concentración de sólidos es superior al valor de

diseño

Cuando la pérdida de carga es superior al valor de diseño

(colmatación)

Factores: tamaño de partícula, tamaño del poro y velocidad de

paso


Contenido

1. Conceptos básicos

2. Mecanismos de filtración

3. FiME



FILTRACIÓN.



FILTRACIÓN. FILTROS LENTOS DE

ARENA


Fueron los primeros filtros utilizados

La materia suspendida queda retenida en las capas más altas de

la arena

Formación de una capa biológicamente activa en la superficie

por tamizado de los microorganismos

Eliminación de organismos patógenos y materia orgánica

desagradable



ARENA




ARENA


Cuando el filtro se atasque, se debe eliminar la capa superior de

arena y añadir arena nueva

Requieren grandes superficies y pueden llegar a ser costosos


FILTRACIÓN. FILTROS LENTOS DE ARENA

Filtración biológica

A parte de la reducción de partículas sólidas, esta comprobada su

efectividad como filtro biológico mediante la formación de algas que

con la luz solar transforman la materia orgánica en sales minerales

disueltas en el agua que la enriquecen. De hecho se ha comprobado

un descenso importante en la utilización de este mecanismo.

Concretamente se reducen la cantidad de bacterias totales en un

factor de entre 103 - 104 y un descenso de la bacteria E.Coli en un

factor de entre 102-103.




Hidráulica de filtración

El objetivo es saber la altura de agua necesaria para garantizar que la

velocidad de filtración se encuentre dentro de los valores:

Es la velocidad a la que debe circular el agua para ser considerado

filtro lento de arena. Para que se cumpla con estas velocidades, es

necesario conocer la columna de agua necesaria para vencer la

resistencia que ofrece el lecho de arena y a la vez controlar la

velocidad del flujo

En el medio poroso





Conociendo que el flujo de agua que va

a pasar por el filtro viene controlado por:

- Lámina de agua cruda H1

- Lámina de agua tratada H2

- La velocidad de filtracion, vf

Si adaptamos la ley de Darcy a un filtro genérico,

se obtiene la siguiente ecuación:


L Arena

K: Coeficiente de permeabilidad


FILTRACIÓN. FILTROS

LENTOS DE ARENA


Recomendable asegurar una altura de

agua cruda constante encima del lecho

de arena (es decir H1 = cte) y controlar

la velocidad de filtración en la salida

del agua tratada (H2 variable).

De esta forma es posible saber cuando

la permeabilidad del filtro es tan baja

(filtro colmatado) que se debe efectuar

el mantenimiento del lecho de arena.


L Arena




Vf=0,2 m/h


FILTRACIÓN. DISEÑO CONSTRUCTIVO

NÚMERO DE FILTROS

Para obtener el número de filtros necesarios existen un par defórmulas que La primera de ellas es función del caudal expresado en

m3/h:

La segunda indica el número total de filtros, incluyendo el de

resposición


De todas maneras, el mínimo

número de filtros es de 2

aunque mejor si son 4.

Hmax


FILTRACIÓN. DISEÑO

CONSTRUCTIVO

AGUA DEL SOBRENADANTE DEL

FILTRO

La profundidad de la reserva de agua

cruda se tiene que determinar mediante

la máxima resistencia que va a ejercer el

lecho de arena cuando este sucio (Hmax).

A la practica acostumbra a tener una

altura de entre 0,8 m y 1,5m.


Además como cualquier sistema de almacenamiento tiene que tener un

resguardo. Este será entre 20cm y 30cm.

ARENA



CONSTRUCTIVO

LECHO DE ARENA

En general se asumen de arriba a la base

del lecho de arena:


La arena tiene que estar limpia, si hace falta tendrá

que ser lavada para evitar que contenga cantidades

de arcilla, lodos o materia orgánica apreciable.

Un indicador puede ser el contenido de

calcio y magnesio siendo como máximo

del 2% de Ca2+ y/o Mg2+.

• 0,30 - 0,40 m para la zona bacteriológica

• 0,40 - 0,50m para la zona de oxidación

• 0,5 cm para garantizar la existencia de

arena tras unos años

ARENA



CONSTRUCTIVO

LECHO DE ARENA

En total la capa de arena tendrá entre

1,0-1,4m.

Para una mejor calidad de agua en la

salida, es posible añadir unos 0,10m de

carbón activado en la base del lecho de

arena. De la misma forma si es necesario

aumentar el pH, es posible colocar una

capa de conchas trituradas, cortezas

molidas de coco, piedra pomez, entre otros.



EJEMPLO. FILTRO LENTO ARENA

Conseguir las dimensiones del filtro lento de arena para el caudal

de diseño y la cantidad de material granular necesaria para su

correcto funcionamiento y poder obtener agua potable para el

municipio de San Luis.

Consumo diario actual: 59 m3/día

Proyectado a 20 años: 118 m3/día

Usualmente el diseño del filtro de arena se realiza en función del

caudal que consume la población por cada hora del día. De esta

forma se puede saber a que hora existe la demanda máxima de

agua, para poder dimensionar el agua que va a circular por el

circuito y no quedarse corto en ningún momento del día




ÁREA NECESARIA CAUDAL ACTUAL


Vrecomedada (m3/m2/h) Qdiseño (m3/h) Área (m2) Lado mínimo (m)

0,1 2,46 24,583 4,958

0,2 2,46 12,292 3,506

0,3 2,46 8,194 2,863

0,4 2,46 6,146 2,479

Consumo diario actual: 59 m3/día



ÁREA NECESARIA CAUDAL PROYECTADO



0,1 4,92 49,167 7,012

0,2 4,92 24,583 4,958

0,3 4,92 16,389 4,048

0,4 4,92 12,292 3,506

Proyectado a 20 años: 118 m3/día




0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

Áre

a fi

ltro

(m

2)

Velocidad recomendada (m3/m2/h)

59 118 Area actual 2 filtros

Se debe seleccionar un área en el que

funcionen bien ambos caudales, tanto el

presente como el futuro



ÁREA NECESARIA



0,1 4,92 49,167 7,012

0,2 4,92 24,583 4,958

0,3 4,92 16,389 4,048

0,4 4,92 12,292 3,506



NÚMERO DE UNIDADES

n118 = 0,55

Con este valor se deduce que solo es necesario un filtro, ya que no

se puede construir 0,55 filtros.

Ahora bien, aplicando la segunda formula, el número total de filtros

que se debe instalar es de:

n = 3

Además se cumple con la premisa que el mínimo numero de

filtros para aplicar la filtración lenta de arena tiene que ser de

2 unidades.




RELACIÓN ENTRE DIÁMETROS DE GRANO

El material granular de un filtro lento esta compuesto

por:

• Arena en la parte superior

• Grava y/o gravilla en la parte inferior

Lambe (1995) a partir de las pruebas realizadas por

Terzaghi y ampliadas posteriormente por el Corps of

Enginners en Vicksburg, considera que la relación entre

la arena (que en este apartado llamaremos suelo) y las

gravas o material de drenaje (llamado filtro en este

apartado) son las siguientes:






Es muy importante considerar que se esta trabajando con una arena

completamente homogénea y por tanto todo el tamiz es el mismo. Por

ejemplo d arena=0.5 mm



ESPESOR DEL FILTRO GRUESO

Mediante las recomendaciones en las publicaciones Huisman and

Wood (1974) y Wagner (1961) se encuentran los tamaños para las

capas de grava de la parte baja del filtro quedando resumido todo en el

material granular en el siguiente cuadro:

Mientras que la capa de arena será de 1 m por

Recomendaciones de diseño




ALTURAS PIEZOMÉTRICAS


Considerando que la permeabilidad de la

arena utilizada es igual a K=0.25 m/h

0,5 m


FILTRACIÓN. FILTROS LENTOS

DE ARENA

Ventajas

• No existe otro método que consiga un

tratamiento del agua tan efectivo sin aplicar

un tratamiento físico, químico o bacteriológico

agresivo

• Sencillo diseño y bajo costo en los materiales

que se puede rebajar aún más, utilizando

técnicas locales y personales de la propia

comunidad. El acceso a la arena necesaria y

a las protecciones contra el frío son los dos

conceptos que se deben de tener en cuenta

para no encarecer demasiado la obra




Ventajas

• El mantenimiento es muy conveniente que sea asumido por la

comunidad, debido que es una tarea que se debe hacer para que

el filtro funcione correctamente

• No existe la posibilidad de contaminar cursos de agua cercanos,

debido que no se utilizan elementos químicos. Adicionalmente, los

lodos se pueden reutilizar como fertilizantes naturales para los

cultivos




Desventajas

• En los casos en los que es limitado el acceso a arena apta para el

filtro. También puede suceder que se deba comprar la arena y

resulte excesivamente cara.

• En países donde haya un desarrollo tecnológico elevado en la

construcción, es más recomendable utilizar otro sistema de

potabilización.



FILTRACIÓN. FILTROS

LENTOS DE ARENA

Desventajas

• Si no es posible contratar mano de

obra especializada, probablemente

será más recomendable implementar

una limpieza automática.

• Cambios bruscos en el agua de

entrada pueden producir

alteraciones en el funcionamiento

normal del filtro.




RAS 2000

a) Como tratamiento único: Puede emplearse como tratamiento

final del agua cruda prefiltrada, para mejorar la calidad

bacteriológica y remover las partículas suspendidas más finas.

Puede utilizarse como tratamiento único de la calidad del agua cruda

cuando ésta mantiene una turbiedad no mayor a 15 UNT, bajo color

menor a 20 UPC y coliformes fecales por debajo de 500.

Debe operarse con bajas tasas de velocidad y la unidad de filtración

debe lavarse por raspado de las capas superficiales del medio

filtrante.




RAS 2000

b) Filtración lenta en múltiples etapas: La filtración lenta en

diversas etapas (FLDE) o (FiME) se recomienda para el

acondicionamiento o pretratamiento de fuentes superficiales de

agua, cuya calidad puede interferir en los mecanismos de

purificación o superar la capacidad de remoción de la filtración

lenta en arena produciéndose efluentes de calidad deficiente..

Debe emplearse como multibarrera para controlar los cambios

bruscos de la calidad de agua de las fuentes. Se debe emplear

para aguas que presenten un color menor a 30 UPC y una

turbiedad inferior a 80 UNT.


FILTRACION EN MÚLTIPLES ETAPAS

FiME


FILTRACIÓN. FILTROS RÁPIDOS DE

ARENA


El medio filtrante es de

mayor tamaño, los SS

penetran más a fondo

Requieren menor espacio

que los filtros lentos

Las partículas más finas

del filtro se acumulan en la

parte superior y las más

gruesas en la parte inferior


FILTRACIÓN. FILTROS RÁPIDOS DE ARENA



FILTRACIÓN. FILTROS GRUESOS DINÁMICOS

• Primera etapa del tratamiento• Unidad acondicionadora de la calidad del agua• Dirección de flujo descendente• Con picos de sólidos producen obstrucción acelerada, bloqueo y

permiten proteger unidades subsiguientes


Sólidos Suspendidos 70 – 80%Turbiedad 30-50% Color Real 10 – 25%

Hierro Manganeso

40 – 70% 40 – 60%

Coliformes fecales 50 – 80%



• Período de operación (h/d) 24• Velocidad de filtración (m/h) 2-3• Número mínimo de unidades en paralelo 2• Área de filtración por unidad (m2) < 10• Velocidad superficial de flujo durante el

lavado superficial (m/s) 0.15-0.3

• Lecho filtrante tamaño y capas:


Superior 0.20 3.0-6.0

Intermedio 0.20 6.0-13.0

Inferior-fondo 0.20 13.0-25.0


FGAC – Planta U. Javeriana, Cali


FILTRACIÓN. FILTROS GRUESOS

ASCENDENTE EN CAPAS (FGAC)

• Segunda etapa de tratamiento

• Función: remoción de material grueso y partículas suspendidas

•Flujo ascendente

• Dependiendo del grado de contaminación del agua puede ir una o masetapas en serie

• Generalmente 5 capas de grava de diferentes tamaños

• Remociones importantes en sólidos suspendidos, al igualque en hierro y manganeso al igual que Coliformes fecales






Orificios para el lavado superficial

Agua Sobrenadante

Tapón que evita la entrada de aire durante el lavado del filtro

Rebose

Afluente (Viene del FGDi)

Drenaje

Válvula de Limpieza Rápida Sistema de Distribución y drenaje

Cámara de Salida

Agua Tratada

Efluente




Limitaciones:

• A mayor riesgo sanitario, es necesario un incremento en la longitud dellecho filtrante.

• La profundidad de los desagües especialmente en zonas planas

• Es necesario tener cuidado con la limpieza de los filtros semanalmente,pues el hecho de no lavar oportunamente, puede producir lacompactación del material removido

• Un aumento en longitud del lecho significa mayor eficiencia en procesode remoción pero se requieren tasas de lavado mas altas.






Turbiedad 50-90%Color Real 20 – 50%

Hierro y Manganeso 50%.

Coliformes fecales0.65 – 2.5

Log




• Período de operación (h/d) 24• Velocidad de filtración (m/h) 0.3-0.6

• Número mínimo de unidades en serie:FGAC 1FGAS 2 - 3

• Área de filtración por unidad (m2) < 20

• Lecho filtrante: longitud FGAC (m) 0.60-0.90longitud FGAS (m) 1.15-2.35

• Lecho de soporte total: longitud (m) 0.3-1.25

• Altura sobrenadante de agua (m) 0.10-0.20

• Carga estática mínima de agua para lavado en contra flujo (m) 3.0




ASCENDENTE EN SERIE (FGAS)


Filtro Grueso

Filtro Grueso

Filtro Grueso Pre Filtro

FiME, Planta La Sirena, Cali


FILTRACIÓN EN MÚLTIPLES ÉTAPAS (FiME)

• La Filtración en Múltiples Etapas (FiME) es una solución integrada paramejorar la calidad del agua de consumo humano en comunidades ruralesy en pequeños o medianos municipios. Utiliza una combinación deFiltración Gruesa en Grava (FG) y filtración lenta en arena (FLA).

• Esta tecnología fue desarrollada a finales de los años 80 entre el IRC deHolanda y Cinara Universidad del Valle, Colombia.



Control del riesgo fisicoquímico y microbiológico con: Multibarrera, Tratamiento Integrado y Desinfección terminal



Justificación

• Tecnologías para pequeñas comunidades donde no es sostenible el uso deproductos químicos , equipos o materiales importados.

• Se ajusta al nivel de desarrollo local permitiendo, una gestión sencilla delsistema por parte de las organizaciones comunitarias.

• Bajo costo: los costos de la tecnología asociado a la inversión inicial y enlos costos de personal para operación y mantenimiento.



• El tratamiento de FiME acompañado de la desinfección terminal busca cumplir con objetivos de calidad de agua establecidos en la normativa.

• Como pre tratamiento disminuir turbiedad y sólidos para aplicar otras tecnologías.


FiME2: FGDi + FGAC + FLA + Desinfección

FiME3: FGDi + FGAS2 + FLA + Desinfección

FiME4: FGDi + FGAS3 + FLA + Desinfección




Y4 FGDi2.5 FGDi2.0 FGDi2.0 FGDi1.5 FGDi1.5

Media < 15,000 FGACS(3)0.6 FGACS(3)0.6 FGACS(3)0.6 FGACS(3)0.45 FGACS(3)0.3

Máxima < 45,000 FLA0.15 FLA0.15 FLA0.15 FLA0.15 FLA0.15

Co

lifo

rme

s F

eca

les

(UF

C/1

00

ml)

Y


< 5,000 FGACS(2)0.6 FGACS(2)0.6 FGACS(3)0.6 FGACS(3)0.45 FGACS(3)0.3

< 15,000 FLA0.15 FLA0.15 FLA0.15 FLA0.15 FLA0.15


< 1,500 FGAC0.6 FGAC0.6 FGACS(3)0.6 FGACS(3)0.45 FGACS(3)0.3



< 750 FGAC0.75 FGAC0.6 FGACS(3)0.6 FGACS(3)0.45 FGACS(3)0.3


Tu

rbid

ez

(NT

U)

X

Media < 5 10 16 20 25

P95% < 15 30 50 60 70

Máxima < 50 100 150 225 300

X1 X2 X3 X4 X5

Colo

r

(UP

C)

Z

Media < 10 13 16 18 20

Máxima < 30 40 50 55 60

Z1 Z2 Z3 Z4 Z5


FILTRACIÓN. OTROS FILTROS

Filtros de presión




Filtros de presión

Son filtros construidos en un recipiente hermético sometio a presión.

En este mecanismo, la fuerza de conducción para el proceso de

filtración es la presión del agua aplicada en el lecho del filtro.

Su instalación, operación y mantenimiento no es sencilla y po tanto

no son muy recomendados para aplicarlos en plantas pequeñas de

tratamiento en paises en vía de desarrollo




Filtros de flujo ascendente




Filtros de flujo ascendente

El proceso de filtración se da de “grueso a fino”. La capa gruesa del

fondo del lecho del filtro, retiene la mayor parte de las impurezas

suspendidas, incluso del agua turbia, sin ningún aumento grande de

la resistencia del lecho del filtro, debido a los grandes poros.

Se usa la arena como el único medio de filtro. Frecuentemente, se les

usa para el pretratamiento del agua que es purificada nuevamente

mediante filtros rápidos del tipo de gravedad o filtros lentos de arena




Filtración Multimedia


Se emplean materiales diversos en

la composición del lecho filtrante

Distribución granular debe ser de

“grueso a fino”

En la parte inferior deberá ubicarse

el material más denso y más

pequeño




Filtración Multimedia

Ventajas

Buena utilización de todo el

volumen del filtro

Menores pérdidas de carga

Mayor duración del ciclo

Mayor carga de sólidos

filtración coagulacion coagulacion coagulacion coagulacion coagulacion coagulacion coagulacion

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