filtros percoladores

TRATAMIENTO DE DESECHOS INDUSTRIALES

1 Mayo 22, 2009

FILTROS PERCOLADORES

Giancarlo Callaoapaza Chvez

Universidad Privada del Norte Facultad de Ingeniera

e-mail: [email protected]

RESUMEN:

Los filtros percoladores son unidades de tratamiento biolgico que dentro del sistema global

de tratamiento de aguas residuales tienen la labor de remover la materia orgnica mediante

la metabolizacin de esta a cargo de una poblacin bacteriana adherida a un medio filtrante,

traducindose esto en un efluente con una menor concentracin de DBO5 (demanda

bioqumica de oxgeno). Este efluente continuar la cadena de tratamiento hasta cumplir con

las especificaciones tcnicas para su descarga final.

En la obtencin de un alto grado de eficiencia en la remocin de DBO5 est involucrada la

cantidad de microorganismos que trabajan en el sistema as como determinados factores

ambientales que afectan el proceso por lo que es indispensable crear las condiciones

adecuadas que favorezcan el crecimiento de la poblacin bacteriana de manera controlada.

Se presenta primeramente un marco introductorio tocando puntos tales como en qu

consisten los sistemas aerbicos, cmo est estructurado un sistema de tratamiento de

aguas residuales y en qu condiciones es ms favorable la utilizacin de unidades de

tratamiento secundario aerbico frente al anaerbico. Posteriormente se analiza la labor de

los filtros percoladores dentro del sistema de tratamiento as como sus caractersticas y

clasificacin de estos segn la carga orgnica, carga hidrulica, profundidad del reactor, tasa

de recirculacin y eficiencia en la remocin de DBO5. Finalmente se presenta la metodologa

de diseo para los dos tipos comunes de medios filtrantes (rocosos y plsticos) mediante

ecuaciones que en la mayora de los casos son el punto de partida para a travs de un

estudio piloto, determinar los parmetros requeridos del sistema y proceder entonces a la

toma de decisiones.


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CONTENIDO I. MARCO INTRODUCTORIO ...................................................................................................4

1. COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

INDUSTRIALES .........................................................................................................................4

2. TRATAMIENTO SECUNDARIO .........................................................................................5

2.1. Sistemas aerbicos .................................................................................................5

2.2. Comparacin sistemas aerbicos - anaerbicos ....................................................7

II. FILTROS PERCOLADORES ...................................................................................................8

1. DEFINICIN ......................................................................................................................8

2. GENERALIDADES .............................................................................................................9

3. CONCEPTOS BSICOS ...................................................................................................10

3.1. Carga orgnica ......................................................................................................10

3.2. Carga hidrulica .....................................................................................................10

3.3. Proceso microbiolgico .........................................................................................11

4. CARACTERSTICAS ........................................................................................................11

4.1. Geometra ..............................................................................................................11

4.2. Medios de soporte .................................................................................................12

4.3. Profundidad del filtro ..............................................................................................12

4.4. Configuracin .........................................................................................................12

4.5. Recirculacin ..........................................................................................................12

4.6. Ventilacin ..............................................................................................................13

4.7. Distribucin del caudal ...........................................................................................14

4.8. Sistemas de desages inferiores ..........................................................................15

4.9. Sedimentadores .....................................................................................................15

5. CLASIFICACIN ..............................................................................................................16

5.1. Filtros de baja carga ..............................................................................................16

5.2. Filtros de alta carga ...............................................................................................16

5.3. Filtros percoladores convencionales o de tasa baja .............................................16

5.4. Filtros de tasa intermedia ......................................................................................17

5.5. Filtros de tasa alta .................................................................................................17

5.6. Filtros de tasa super alta .......................................................................................18

6. METODOLOGA DE DISEO DE FILTROS PERCOLADORES ...........................................19

6.1. Ecuaciones del NRC ...............................................................................................19

6.2. Ecuacin de Velz.....................................................................................................21


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6.3. Ecuacin de Galler y Gotaas...................................................................................22

6.4. Frmula de Eckenfelder .........................................................................................23

6.5. Frmula de Germain ..............................................................................................23

III. BIBLIOGRAFA ....................................................................................................................25


4 Mayo 22, 2009

I. MARCO INTRODUCTORIO

1. COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

Para poder cumplir con las condiciones mnimas para la descarga de los efluentes o para seguir

con su posterior tratamiento (secundario), es necesario contar con las etapas de pre-tratamiento

y de tratamiento primario, realizando en estas los controles requeridos en pH, temperatura, SST

(slidos suspendidos totales), DBO5 (demanda bioqumica de oxgeno), metales, aceites y grasas.

De manera general se puede realizar una clasificacin de los tratamientos a emplear, segn se

muestra en la Figura 1.

Figura 1. Sistema de tratamiento de aguas residuales industriales.

(Formulacin de Planes de Pre-tratamiento de Efluentes Industriales, 2002)


5 Mayo 22, 2009

2. TRATAMIENTO SECUNDARIO

El tratamiento secundario es empleado para la remocin de DBO5 soluble y de cantidades

adicionales de slidos suspendidos que no lograron ser tratados con los sistemas primarios.

Estas remociones se efectan fundamentalmente por medio de mtodos bioqumicos donde se

utilizan microorganismos que metabolizan la materia orgnica que est presente en las aguas

residuales para disminuir la contaminacin en mayor medida de lo realizado en las etapas previas.

No es recomendable utilizar estos mtodos cuando los efluentes a tratar contengan sustancias

txicas o aceites y grasas ya que en el primer caso el metabolismo de los microorganismos se ve

afectado por estas sustancias y en el segundo porque los aceites y grasas no son de fcil

digestin.

Para clasificar los sistemas tomamos a la naturaleza de la poblacin seleccionada como el

criterio con el cual trabajar, por lo que finalmente estos microorganismos se pueden agrupar en

tres categoras de sistemas: aerbicos, anaerbicos y facultativos.

Los filtros percoladores, tema de este informe, estn considerados dentro de los sistemas

aerbicos, por lo que se pasar a realizar una breve descripcin de estos sistemas, acerca de su

naturaleza, eficiencia y costos para finalmente mostrar una comparativa entre los sistemas

aerbicos y anaerbicos.

2.1. Sistemas aerbicos

Estn basados en aquellos microorganismos que pueden desdoblar a la materia orgnica tal

y como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Proceso de tratamiento aerbico. (Formulacin de Planes de

Pre-tratamiento de Efluentes Industriales, 2002)


6 Mayo 22, 2009

Estos microorganismos al entrar en contacto con la materia orgnica presente en las aguas

residuales utilizan la misma como una fuente alimenticia obteniendo del proceso metablico

involucrado, como salidas, los efluentes de agua tratada y el CO2.

El mayor problema con este tipo de sistemas es el suministro del oxgeno necesario para el

crecimiento de esta poblacin de microorganismos, por lo que se emplean mtodos

naturales o artificiales para el mismo. Se tiene que tener presente que a mayor poblacin

bacteriana, estas tendrn mayores requerimientos energticos, por lo que el proceso de

tratamiento de la materia orgnica ser mucho ms eficiente.

El objetivo en s es la bsqueda de las condiciones ideales que favorezcan el crecimiento de

estos microorganismos, por lo que las principales diferencias entre los diferentes sistemas

de tratamiento aerbicos es la forma en que se va a suministrar el oxgeno y el medio de

soporte fsico para la poblacin de microorganismos. Una consideracin adicional a tener en

cuenta es la cantidad de lodos que se generan en estos procesos aerbicos y que necesitan

ser estabilizados y dispuestos adecuadamente.

2.1.1. Eficiencia y costos

Llegan a ser sistemas muy costosos a pesar de tener una eficiencia mayor al 80%

en la remocin de carga orgnica y de slidos suspendidos. (Formulacin de Planes

de Pre-tratamiento de Efluentes Industriales, 2002). La utilizacin de los sistemas

integrados, aerbicos y anaerbicos, permite reducir considerablemente los costos

globales (inversin ms operacin y mantenimiento) de tratamiento de aguas

residuales que presenten una DBO5 mayor a 1 000 mg/l (Eckenfelder et al., 1988).

Se presenta la distribucin porcentual de los costos de construccin y operacin en

la Figura 3 y Figura 4.

Figura 3. Costos de construccin. (Formulacin de Planes de


2%

13%

42%10%

33%

Transporte y disposicinde lodos

Sedimentacin primaria

Tratamiento biolgico

Sedimentacinsecundaria


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Figura 4. Costos de operacin. (Formulacin de Planes de


2.2. Comparacin sistemas aerbicos - anaerbicos

De manera general, los sistemas anaerbicos son utilizados para tratar aguas residuales

que presentan una alta carga orgnica con una aplicacin mnima de DBO5 fluctuando entre

los 1000 y 1500 mg/l, mientras que los sistemas aerbicos son utilizados para cargas

orgnicas medias y bajas (Wang et al, 2004). Adems, los microorganismos anaerbicos

slo tienen un metabolismo ptimo entre los 30 y 40C por lo que es necesario proporcionar

la energa necesaria para alcanzar este rango de temperatura o en su defecto aislar

trmicamente el sistema (Formulacin de Planes de Pre-tratamiento de Efluentes

Industriales, 2002).

Los procesos aerbicos operan ms eficazmente en un rango de pH entre 6.5 y 8.5

mientras que en los procesos anaerbicos las bacterias metanognicas son muy sensibles a

los cambios de pH y generalmente tienen un rango ptimo entre 6.5 y 7.5. Adems es

deseable que en los procesos anaerbicos la alcalinidad contribuida por el bicarbonato se

encuentre en un rango de 2 500 a 5 000 mg/l para proveer la capacidad de manejar los

incrementos voltiles de acidez con una mnima disminucin de pH, mientras que en los

procesos aerbicos el requerimiento de alcalinidad es mnimo (Eckenfelder et al., 1988).

El exceso de produccin de lodos en los sistemas aerbicos, de 0.5 kg de SSV1/kg de DQO2

removida, constituye un problema para su manejo y disposicin final frente a los generados

en los sistemas anaerbicos, de 0.1 kg de SSV/kg de DQO removida (Eckenfelder et al.,

1988).

1 Slidos suspendidos voltiles 2 Demanda qumica de oxgeno

35%

9%12%

20%

24%

Financieros

Otros

Sueldos

Tratamiento ydisposicin de lodosEnerga


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Una diferencia importante entre los dos sistemas radica en el tiempo de retencin o tiempo

que permanece una unidad de volumen de agua residual en el sistema de tratamiento, ya que

mientras en los sistemas anaerbicos este tiempo comprende entre unas 2 a 8 horas, en

los sistemas aerbicos este tiempo de retencin es mucho mayor, de 16 a 120 horas

(Formulacin de Planes de Pre-tratamiento de Efluentes Industriales, 2002).

Un resumen de la comparacin entre los dos sistemas se muestra en el Cuadro 1.

ASPECTO AERBICO ANAERBICO

Costo de operacin Mayor Menor

Costo de instalacin Mayor Menor

Estabilidad Mayor Menor

Eficiencia Mayor de 80% Entre 60 y 90%

Estabilidad del proceso (a

componentes txicos y

cambios en la carga)

Mayor

Menor

Tiempo de retencin 2 - 8 horas 16 - 120 horas

Generacin de lodos Mayor Menor

Generacin de olores Menor Mayor

Requerimiento de alcalinidad Menor Mayor para ciertos desechos

industriales

Produccin de biogs No S (el beneficio neto depende de la

necesidad de calor del reactor)

Cuadro 1. Comparacin entre sistemas biolgicos en el tratamiento de aguas residuales industriales.

(Adaptada de Formulacin de Planes de Pre-tratamiento de

Efluentes Industriales, 2002; Eckenfelder et al., 1988)

II. FILTROS PERCOLADORES

1. DEFINICIN

Valencia nos presenta una definicin precisa acerca de la naturaleza del proceso de filtracin

biolgica:

El proceso de filtracin biolgica puede definirse como un sistema de lechos compuesto en

la gran mayora de los casos de materiales sintticos piedras de diversas formas, de alta

relacin rea/volumen, sobre el cual son aplicadas las aguas residuales de manera

continua o intermitente por medio de brazos distribuidores fijos o mviles. (Valencia)


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Producto de la aplicacin de las aguas residuales al medio filtrante, los microorganismos

formados como una bio-pelcula adherida a este medio pueden entrar en contacto con las

cargas orgnicas para el inicio del proceso de purificacin.

En el lecho se mantienen condiciones aerbicas mediante el flujo de aire a travs del lecho,

el cual se puede realizar por medios naturales, inducido por los gradientes de temperatura

existentes entre la temperatura del aire en el lecho y la temperatura ambiental, y por

aireacin forzada, utilizando equipos similares a los extractores de aire. (Valencia)

Al tener a su disposicin a las aguas residuales, ricas en materia orgnica que pueden asimilar, y

el oxgeno necesario para la sntesis celular (crecimiento bacteriano), la bio-pelcula de

microorganismos aerbicos inicia el desdoblamiento de la materia orgnica obtenindose al

igual que en los otros procesos biolgicos de tratamiento de aguas residuales, la remocin de la

materia orgnica mediante su conversin a masa celular, CO2 y H2O (Valencia) que se traduce

en una purificacin de las aguas residuales que conforman el nuevo efluente que ya sea el caso

necesitar tratamientos posteriores si las especificaciones tcnicas lo demanden.

Producto del crecimiento bacteriano en el medio filtrante, se llegar a un lmite en que las

bacterias no recibirn ni el oxgeno ni los nutrientes necesarios para su supervivencia por lo que

morirn y terminarn por desprender a la bio-pelcula del medio. Este hecho hace necesario

contar con un proceso de sedimentacin que se haga cargo del material desprendido.

2. GENERALIDADES

Este tipo de proceso de tratamiento ha sido bastante utilizado por municipalidades con

poblacin entre 2 000 y 30 000 habitantes y por industrias con una poblacin

equivalente similar (Valencia).

Los costos de inversin inicial y de operacin son bajos, lo cual los hace bastante

atractivos, comparados a otros tratamientos aerbicos (Valencia).

El tipo de medio filtrante a utilizar determina las tasas orgnicas e hidrulicas a aplicar,

influyendo esto en la eficiencia del proceso de remocin de DBO5.

La eficiencia de todo el sistema de filtracin biolgica puede variar entre 65 y 95%,

dependiendo de las caractersticas de las aguas residuales, de las cargas hidrulica y

orgnica que se le apliquen al filtro percolador y de la disposicin de las unidades de

tratamiento (Lee y Dar Lin, 2000).

No requiere personal altamente calificado para controlar su operacin ya que es

bastante simple cuando se le compara con otros procesos fsicos-qumicos o biolgicos

de tratamiento de aguas residuales (Valencia).


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3. CONCEPTOS BSICOS3

3.1. Carga orgnica

La carga orgnica es el flujo msico de materia orgnica por unidad de volumen del filtro.

Entre mayor sea la carga orgnica, mayor ser la relacin alimento - microorganismos y ms

rpido crecer la poblacin de bacterias del sistema, por lo que se tendr una menor

concentracin de sustrato en el efluente si la aireacin, composicin de sustrato u otro

factor, no se convierten en limitantes.

La carga orgnica se expresa como la tasa a la que se suministra al sistema la demanda de

oxgeno (kg DQO/m3*da kg DBO5/m3*da).

3.2. Carga hidrulica

La carga hidrulica es equivalente a la velocidad superficial que tiene el agua residual con la

recirculacin al pasar por el rea plana del corte transversal del filtro. Sin embargo ya que el

flujo por el medio filtrante es en lminas delgadas, la velocidad real es mayor; el incremento

de la carga hidrulica es proporcional a la velocidad real.

La carga hidrulica afecta al tiempo de residencia del lquido que se filtra a travs del medio

filtrante y simultneamente a la cantidad de lquido retenido en cualquier momento por el

medio filtrante. Es decir, el tiempo de retencin disminuye con el aumento de la carga

hidrulica.

Podemos mencionar la existencia de lmites para la carga hidrulica:

La mnima es aproximadamente 1.8 m3/(m2*hora) y si no es suficiente, ser

necesario una recirculacin.

Como lmite superior se debe prever que no haya desprendimiento excesivo de

biomasa.

Con esto se puede entender que es muy importante el control de la carga hidrulica en el

filtro para su buen funcionamiento.

3 Reyes, 2005


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3.3. Proceso microbiolgico

La comunidad biolgica que se encuentra dentro de un filtro percolador pertenece

principalmente al reino protista, donde se encuentran: bacterias aerbicas, anaerbicas y

facultativas, hongos, algas y protozoarios. Tambin se encuentran otro tipo de animales

como gusanos, larvas de insectos y lombrices.

Los microorganismos que predominan son las bacterias facultativas. En general las

bacterias son las encargadas de degradar la materia orgnica del agua residual. Las

especies ms comunes en los filtros percoladores son: Achromobacter, Flavobacterium,

Pseudomonas y Alcaligenes. Para la nitrificacin las bacterias existentes son: Nitrosomonas

y Nitrobacter.

Los hongos se encargan de la estabilizacin de los residuos bajo condiciones bajas de pH, sin

embargo su crecimiento debe ser controlado, ya que podran obstruir el paso del agua. Las

especies que se encuentran comnmente en el filtro percolador son: Fusazium, Mucor,

Penicillium, Geotrichu y Sporatichem.

Las algas se encuentran en la parte donde da la luz del sol directa, y brindan ms oxgeno al

sistema durante las horas en que hay sol. Las especies que se llegan a encontrar son:

Phormidium, Chlorella y Ulothrix.

Los protozoarios controlan el crecimiento bacteriano, predominando el grupo de los ciliados

incluyendo: Vorticella, Opercularia y Epistylis.

Los gusanos, insectos y lombrices ayudan a mantener la poblacin bacteriana en alto

crecimiento y rpida utilizacin de alimento.

4. CARACTERSTICAS

4.1. Geometra

El reactor o filtro consta de un recipiente cilndrico o rectangular con dimetros variables,

hasta de 60 m y con profundidades entre 0.9 y 12 m (Reglamento Tcnico del Sector RAS,

2000; Lee y Dar Lin, 2000).


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4.2. Medios de soporte

El medio filtrante puede ser piedra triturada o cantos rodados con dimetros entre 5 y 10

cm o un medio plstico manufacturado especialmente para tal fin (Valencia). Este ltimo se

ha hecho muy popular en las ltimas dcadas, ya que brindan una mayor superficie de

contacto para el crecimiento biolgico y tienen un menor peso especfico, permitiendo la

construccin de filtros de mayor profundidad (Valencia).

4.3. Profundidad del filtro

El medio filtrante, en el caso de la piedra debe tener una profundidad mnima de 0.9 m. y

mxima de 2.4 m sobre los desages, excepto cuando los estudios justifiquen una

construccin especial (Lee y Dar Lin, 2000; Reglamento Tcnico del Sector RAS, 2000). En

el caso del medio plstico, la profundidad debe determinarse por medio de estudios pilotos o

experiencias previas debidamente sustentadas, pero en promedio se encuentra entre los 3.0

y 12.0 m (Lee y Dar Lin, 2000).

Debe proveerse un espacio libre mnimo de 15 cm entre los brazos distribuidores y el medio

filtrante (Reglamento Tcnico del Sector RAS, 2000).

4.4. Configuracin

Cada diseador tiene una secuenciacin diferente para las unidades que componen el

sistema de tratamiento, pero lo ms importante es que el diseo hidrulico a utilizar brinde

la suficiente flexibilidad para realizar las variaciones en la direccin del flujo de tal forma que

una vez construida la planta, se puedan corregir con relativa facilidad los problemas de

operacin que se lleguen a presentar (Valencia).

En la Figura 5 se presentan las formas ms comunes de organizacin de las unidades

tanto para filtros de una etapa (formados por slo un filtro) como para filtros de dos etapas

(formados por dos filtros).

4.5. Recirculacin

Cuando se efecta la recirculacin, es importante determinar si es antes o despus del

clarificador primario, pues esto afecta significativamente en el diseo. Igual consideracin

debe tenerse con los sedimentadores secundarios.

El rango de tasas de recirculacin se encuentra entre 0 y 4.0 siendo las tasas ms usuales

entre 0.5 y 3.0 (Lee y Dar Lin, 2000).


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Figura 5. Diagramas de flujo tpicos para filtros percoladores

de una y dos etapas. (Valencia)

4.6. Ventilacin

Es de gran importancia, para mantener el filtro en condiciones aerbicas. El sistema de

desage, el canal efluente y tubera de efluentes deben ser diseados para permitir el libre

paso del aire.


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La ventilacin se puede realizar por medios naturales, mediante las gradientes de

temperatura presentes entre el lecho y el medio ambiente o por medios forzados, mediante

equipos parecidos a extractores de aire.

El flujo de aire debe ser 0.3 m3/m2 de rea filtrante a 0.03 m3/m2 como mnimo

(Reglamento Tcnico del Sector RAS, 2000).

4.7. Distribucin del caudal

Las aguas residuales pueden ser descargadas a los filtros mediante sifones, bombas o

descarga por gravedad desde las unidades de pre-tratamiento cuando se hayan logrado

caractersticas adecuadas de flujo.

Dentro de los tipos de distribuidores de flujo se encuentran los de accionamiento por motor

elctrico en donde la velocidad de giro de sistema debe ser del orden de 10 rpm cuando el

distribuidor tiene dos brazos perpendiculares y los de propulsin hidrulica (Reglamento

Tcnico del Sector RAS, 2000).

Para lograr una correcta distribucin uniforme de flujo de agua residual sobre el rea

superficial del filtro percolador, es necesario contar con distribuidores rotativos de caudal

que giren alrededor de un eje o en su defecto con otro sistema que logre el mismo efecto.

Para preservar la uniformidad en la distribucin del caudal, el volumen aplicado por metro

cuadrado de superficie de filtro no debe exceder en % del volumen de diseo calculado

(Corbitt, 2004).

4.7.1. Intensidad de rociado de agua (flushing)4

Para calcular la intensidad de rociado de agua residual ejercida por cada brazo

distribuidor, tenemos la siguiente expresin:

=. ( + )

Donde

Sk : Intensidad del rociado [mm/pasada de un brazo]

q : Tasa de carga hidrulica del influente [m3/(m2*da)]

r : Tasa de carga hidrulica del recirculado [m3/(m2*da)]

a : Nmero de brazos distribuidores

n : Velocidad rotacional [rev/min]

4 Lee y Dar Lin, 2000


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En el Cuadro 2, se presentan algunos valores sugeridos para SK

Carga de DBO5

lb/(1000 pies3 x da)*

Sk de diseo

mm/pasada

Sk de rociado

mm/pasada


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Los sedimentadores son tanques en donde se proporcionan las condiciones hidrulicas

indispensables para promover la separacin de los aglomerados y el agua clarificada.

Pueden ser circulares o rectangulares en donde se debe proporcionar un tiempo de

retencin entre una y dos horas, suficientes para la separacin de los lodos por gravedad.

En ambos casos se prev una zona para acumulacin de lodos.

5. CLASIFICACIN

Los filtros pueden clasificarse segn su carga6.

5.1. Filtros de baja carga

Filtros lentos en los cuales el agua hace un slo paso a travs del filtro, con cargas

volumtricas bajas, permitiendo adems una nitrificacin relativamente completa. Este tipo

de filtro es seguro y simple de operar. Producen una composicin del efluente bastante

estable, pero crean problemas de olores y moscas.

5.2. Filtros de alta carga

Emplean la recirculacin para crear una carga hidrulica ms homognea, diluyendo por

otra parte la DBO5 influente. El porcentaje de recirculacin puede llegar a 400%. Este

sistema de filtracin tiene una eficiencia tan buena como la de los filtros de baja tasa, y evita

en gran medida el problema de moscas y de olores.

Valencia refiere que originalmente los filtros percoladores eran diseados basados en unas

cargas hidrulicas y orgnicas que produjeran una remocin del 80 - 90%, de la DBO5 del

afluente lo que nos indica variaciones mnimas en cuanto a carga hidrulica y orgnica en el

proceso. Esta situacin cambio posteriormente (mayor variacin en las cargas hidrulicas y

orgnicas), por lo que surgi la necesidad de realizar una mejor clasificacin, resultando de esta

los filtros de tasa baja o convencionales, filtros de tasa intermedia, filtros de tasa alta y filtros de

tasa super alta.

5.3. Filtros percoladores convencionales o de tasa baja7

Este tipo de unidades se disea para recibir cargas orgnicas que varan entre 0.08 y 0.4 kg

de DBO5/(da*m3) de volumen del filtro. La carga hidrulica puede fluctuar entre 1.0 y 3.7

m3/(da*m2) de superficie del filtro. En general este tipo de filtro no utiliza recirculacin para

6 Reglamento Tcnico del Sector RAS, 2000 7 Lee y Dar Lin, 2000; Valencia


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mantener una carga hidrulica constante. La dosificacin de las aguas residuales se hace de

manera un poco intermitente y puede presentar problemas de operacin durante las horas

de la noche cuando el caudal es muy bajo. Si el periodo entre las dosificaciones es muy largo

se pueden presentar problemas de secamiento de la bio-pelcula, con lo cual se deteriora

bastante la eficiencia del filtro, por lo que se recomienda que estos periodos secos no sean

mayores de 1 - 2 horas. El rango de eficiencia en la remocin de DBO5 de este tipo de filtro se

encuentra entre el 80 y 90%.

Este tipo de filtros se construye normalmente con piedras de canto rodado de 5 y 10 cm de

dimetro con profundidades que oscilan entre 1.8 y 2.4 metros. En la mayora de las

unidades que cumplen tales caractersticas slo la porcin superior del lecho (los primeros

0.8 - 1.5 m) tiene un recubrimiento biolgico considerable. Por lo que la parte inferior del

filtro puede estar poblado por organismos auttrofos nitrificadores que convierten el

amoniaco a nitratos, logrndose as un buen grado de nitrificacin en el sistema.

5.4. Filtros de tasa intermedia8

Las cargas hidrulicas y orgnicas que se aplican a los filtros convencionales pueden

aumentarse un poco experimentando una reduccin significativa de la eficiencia en el

proceso de remocin de materia orgnica, encontrndose esta entre el 50 y 70%. En este

tipo de unidades la nitrificacin se presentar de manera parcial, y en ocasiones se suele

inundar el lecho por el excesivo crecimiento biolgico el cual obstruye el flujo de agua

residual. Esta situacin puede remediarse utilizando un medio filtrante de mayor dimetro.

Las profundidades del reactor oscilan entre los 1.8 y 2.4 metros.

Las cargas orgnicas que se aplican al filtro pueden variar entre 0.24 y 0.48 kg de

DBO5/(da*m3), y las cargas hidrulicas entre 3.7 y 9.4 m3/(da*m2), considerando la

recirculacin, la cual se usa frecuentemente en este tipo de filtros, pero cuya tasa mxima

es de 1.

5.5. Filtros de tasa alta9

En este tipo de filtros se incrementan considerablemente las cargas orgnica e hidrulica

que se aplican al lecho, con lo cual su eficiencia en la remocin de materia orgnica es ms

baja comparada a los filtros de tasa baja, encontrndose esta entre el 65 y 85%. Se llega a

presentar poca nitrificacin en el proceso.

8 Lee y Dar Lin, 2000; Valencia 9 Lee y Dar Lin, 2000; Valencia


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Se las suele utilizar como unidades de primera etapa antes de otros procesos biolgicos o

antes de filtros percoladores de segunda etapa. Las profundidades del lecho son por lo

general menores (0.9 1.8 m), y siempre se utiliza la recirculacin para garantizar una

carga hidrulica constante, cuya tasa est entre 1 y 2.

Las cargas orgnicas varan entre 0.32 y 1.0 kg DBO5/(da*m3) de lecho y las cargas

hidrulicas entre 9.4 y 37.0 m3/(da*m2).

5.6. Filtros de tasa super alta10

Con la aparicin en el mercado de material filtrante plstico con una alta superficie de

contacto, se comenz a investigar la posibilidad de incrementar considerablemente las

cargas hidrulica y orgnica que se le podan imponer a los filtros biolgicos. Adems las

caractersticas fsicas del medio filtrante permitan variar las condiciones estructurales de

diseo, haciendo posible aumentar la profundidad de los lechos.

Como resultado, se tienen en operacin unidades a las cuales se les puede aplicar unas

cargas orgnicas que varan entre 0.8 y 6.0 kg de DBO5/(da*m3), con cargas hidrulicas

entre 14.0 y 84.0 m3/(da*m2). A pesar de presentar mayores cargas orgnicas e

hidrulicas, la eficiencia del proceso es equivalente al de los filtros de tasa alta,

encontrndose esta entre el 65 y 80%. Adems, se llega a presentar poca nitrificacin en

estas unidades.

Este tipo de filtro percolador se puede utilizar para el tratamiento de aguas residuales con

altos valores de DBO5 y como unidades de tratamiento preliminar antes de otros procesos

biolgicos. Pueden disearse para profundidades entre 3.0 y 12.0 metros. La tasa de

recirculacin de este tipo de filtros no vara respecto a los de tasa alta mantenindose en un

rango de 1 a 2.

Podemos resumir las caractersticas de diseo de los diferentes tipos de filtros percoladores

vistos en el cuadro 3, adems, se proporcionan las caractersticas de los filtros de tipo rugoso y

de dos etapas.

10 Lee y Dar Lin, 2000; Valencia


19 Mayo 22, 2009

Tasa baja Tasa

intermedia

Tasa alta Super alta

tasa

Rugoso Dos etapas

Medio filtrante

Roca, escoria

Roca, escoria

Roca

Plstico Plstico,

madera roja

Roca, plstico

Carga hidrulica,

m3/(m2*d)

1.0 - 3.7

3.7 - 9.4

9.4 - 37.0

14.0 - 84.0

47.0 - 187.0

9.4 - 37.0

Carga orgnica,

kg DBO5/(m3*d)

0.08 - 0.4

0.24 - 0.48

0.32 1.0

0.8 6.0

1.6 - 8.0

1.0 2.0

Profundidad, m

1.8 - 2.4

1.8 - 2.4

0.9 - 1.8

3.0 12.0

4.6 - 12.0

1.8 - 2.4

Tasa de

recirculacin

0

0 - 1

1 - 2

1 - 2

1 - 4

0.5 - 2

Eficiencia de

remocin de

DBO5, %

80 - 90

50 - 70

65 - 85

65 - 80

40 - 65

85 - 95

Efluente

Bien nitrificado Parcialmente

nitrificado

Poca

nitrificacin

Poca

nitrificacin

No nitrificacin

Bien nitrificado

Desprendimiento Intermitente Intermitente Continuo Continuo Continuo Continuo

Cuadro 3. Caractersticas de diseo para los diferentes tipos de filtros percoladores

(Lee y Dar Lin, 2000)

6. METODOLOGA DE DISEO DE FILTROS PERCOLADORES

En el transcurso de 1940 a 1970, numerosos investigadores intentaron correlacionar los datos

de operacin con los parmetros de diseo de los filtros percoladores. Estos parmetros de

diseo estn basados en conceptos empricos, semi-empricos y de balance de materia.

Las ecuaciones matemticas desarrolladas han tenido como objeto calcular la eficiencia en la

remocin de DBO5 de las aguas residuales sobre la base de factores tales como la profundidad

del reactor, el tipo de medio filtrante, la recirculacin, la temperatura y las tasas de carga

orgnica e hidrulica.

Las primeras ecuaciones de diseo a presentarse por su importancia son: Las ecuaciones del

NRC -Consejo Nacional de Investigacin- (1946), la ecuacin de Velz (1948) y la ecuacin de

Galler y Gotaas (1964). Todas estas ecuaciones son utilizadas especficamente para medios

filtrantes de tipo roca triturada y cantos rodados.

6.1. Ecuaciones del NRC11

11 Lee y Dar Lin, 2000


20 Mayo 22, 2009

Las ecuaciones NRC para el diseo de filtros percoladores son expresiones empricas

desarrolladas por el Consejo Nacional de Investigacin, producto de un amplio estudio de los

datos de operacin de las plantas de tratamiento con filtros percoladores en las bases

norteamericanas durante la Segunda Guerra Mundial a principios de 1940. Estas

ecuaciones pueden ser aplicadas a medios filtrantes rocosos de una sola etapa y de varias

etapas con distintas tasas de recirculacin.

En trminos de eficiencia tenemos:

Para filtros de una sola etapa:

=

+ .

Para filtros de dos etapas:

=

+.

Donde

E1 = eficiencia en la remocin de DBO5 en la 1era etapa incluyendo el

clarificador, %

E2 = eficiencia en la 2da etapa incluyendo el clarificador, %

W = carga orgnica aplicada a la 1era etapa, kg/da

W = carga orgnica aplicada a la 2da etapa, kg/da

V = volumen del medio filtrante, m3

F = factor de recirculacin para cualquiera de las etapas

Calculamos el factor de recirculacin de la siguiente manera:

= +

( + . )

Donde

r = caudal recirculado/caudal del influente, (m3/da)/(m3/da)

La eficiencia de remocin de DBO5 total de un filtro de dos etapas esta expresado por:


21 Mayo 22, 2009

= (

) (

) (

) [%]

Donde el 35 significa que 35% de DBO5 ha sido removida previamente por un tratamiento

primario.

Estas eficiencias consideran una temperatura del agua residual de 20C. El efecto de la

temperatura puede ser calculado mediante:

= (. ())

Por el mismo contexto en el que fueron desarrolladas, estas ecuaciones cuentan de por s

con varias limitaciones que deben ser tomadas en cuenta para el diseo de la planta de

tratamiento, como lo seala Valencia:

Las ecuaciones del NRC tienen bastantes limitaciones pues fueron desarrolladas para

plantas que tratan aguas residuales con caractersticas diferentes a las domsticas e

industriales. Dichas ecuaciones adems desprecian el efecto de la carga hidrulica

comparada con la carga orgnica y presuponen una configuracin del sistema con

clarificador intermedio entre los dos filtros. (Valencia)

6.2. Ecuacin de Velz12

En 1948, Velz postul que la remocin de DBO5 por unidad de profundidad del reactor era

proporcional a la DBO5 remanente, representando esto mediante la siguiente expresin:

=

Y mediante integracin obtenemos:

= =

Donde

S = concentracin total de DBO5 removible, mg/l, no est sobre el 90% de ST

SD = concentracin de DBO5 remanente en el efluente a la profundidad D, mg/l

ST = concentracin total de DBO5 del agua residual no tratada, mg/l

D = profundidad del filtro percolador, metros

Ke = Tasa de remocin de DBO5, en base e (constante de reaccin)

12 Wang et al., 2008; Reglamento Tcnico del Sector RAS, 2000


22 Mayo 22, 2009

K10 = Tasa de remocin de DBO5, en base 10 (constante de reaccin)

La constante K vara con la temperatura segn la siguiente expresin (La temperatura de

referencia es a los 20C):

= (. ())

6.3. Ecuacin de Galler y Gotaas13

Durante la dcada de 1960, Galler y Gotaas analizaron estadsticamente una gran base de

datos (322 observaciones) de las plantas de tratamiento con filtros percoladores para

aguas residuales domsticas. Esta gran base de datos y un anlisis de regresin mltiple

mucho ms sofisticado permiti a Galler y Gotaas incorporar los efectos de la temperatura,

la concentracin de DBO5 y la geometra de filtro as como la carga hidrulica.

La ecuacin desarrollada describe la concentracin de DBO5 en el efluente de la siguiente

manera:

= ( +

).

( + ). (. + ). .

Donde

=.

. .

Y

Se = concentracin de DBO5 en el efluente, mg/l

Si = concentracin de DBO5 en el influente, mg/l

v = tasa de carga hidrulica del influente, m3/(m2*da)

vr = tasa de carga hidrulica del recirculado, m3/(m2*da)

h = profundidad del filtro, m

r = radio del filtro, m

T = temperatura, C

Notar que la variable Se aparece en ambos lados de la ecuacin, la cual debe resolverse

iterativamente.

13 Rittman y McCarthy, 2002


23 Mayo 22, 2009

Numerosas investigaciones se han llevado a cabo para predecir el desempeo de los medios

filtrantes plsticos en los filtros percoladores, siendo la frmula de Eckenfelder (1963) y la de

Germain (1966) las ms comnmente utilizadas para describir su desempeo.

6.4. Frmula de Eckenfelder14

El desarrollo de esta frmula tiene como punto de partida los estudios de Howland, de

Schulze y los propios estudios de Eckenfelder, Barnhart, McCabe y OConnor. Dicha ecuacin

tiene la gran ventaja que permite obtener en el laboratorio los valores de los parmetros K,

m y n, con los cuales es factible modelar ms fielmente las condiciones particulares del

medio filtrante y de las aguas residuales que se deben tratar en la unidad prototipo. La

expresin resultante es la siguiente:

=

+

Donde

Se = concentracin de DBO5 total remanente en el efluente, mg/l

Si = concentracin de DBO5 total en el influente, mg/l

K = tasa constante de reaccin observada, m/da

As = rea superficial especfica, m2/m3

D = profundidad de filtro, m

q = tasa de carga hidrulica en el influente, m3/(m2*da)

m, n = constantes empricas basadas en el medio filtrante

6.5. Frmula de Germain15

En 1966, Germain aplic la formulacin de Schultz (1960) a filtros percoladores que

utilizaran como medio filtrante el plstico, la cual viene dada por la siguiente expresin:

=

Donde

Se = concentracin de DBO5 total remanente en el efluente, mg/l

Si = concentracin de DBO5 total en el influente, mg/l

K20C = constante de tratabilidad correspondiente a la profundidad del

filtro a una temperatura de 20C

D = profundidad del filtro, m

14 Lee y Dar Lin, 2000; Valencia 15 Lee y Dar Lin, 2000; Reglamento Tcnico del Sector RAS, 2000


24 Mayo 22, 2009

q = tasa de carga hidrulica en el influente, m3/(m2*da)

n = exponente relacionado al medio filtrante, usualmente 0.5

La constante de tratabilidad K debe ser corregida cuando se est analizando a otra

profundidad del filtro de aquella tomada como referencia, mediante la siguiente expresin:

= (

)

Donde

K2 = constante de tratabilidad correspondiente a la profundidad D2, filtro 2

K1 = constante de tratabilidad correspondiente a la profundidad D1, filtro 1

D1 = profundidad del filtro 1, m

D2 = profundidad del filtro 2, m

x = 0.5 para medios filtrantes verticales y de roca

= 0.3 para medios filtrantes plsticos de flujo cruzado

La constante K tambin vara con la temperatura segn la siguiente expresin:

= (. ())

De manera general se puede decir que, teniendo en cuenta las caractersticas del influente con

el que se trabaja, las especificaciones del efluente a descargar y el material del medio filtrante a

utilizar, se selecciona la frmula de diseo adecuada realizando los estudios de tratabilidad de

aguas residuales con unidades piloto, obteniendo de estos estudios los valores para los

parmetros que se deben usar para el dimensionamiento de la planta prototipo o, se puede

definir en primer lugar la eficiencia deseada para despus calcular las dems variables del

sistema de tratamiento y realizar las modificaciones (correcciones) necesarias en el punto de

origen de generacin de las cargas contaminantes en las aguas residuales.


25 Mayo 22, 2009

III. BIBLIOGRAFA

[1] Corbitt R., (2004) Standard Handbook of Environmental Engineering. Segunda edicin,

Estados Unidos, Editorial McGraw-Hill.

[2] Eckenfelder, W.; Patoczka, J. y G. Pulliam, (1988) Anaerobic Versus Aerobic Treatment in the

USA. Estados Unidos.

[3] Lee C. C. y S. Dar Lin, (2000) Handbook of Environmental Engineering Calculations. Segunda

edicin, Estados Unidos, Editorial McGraw-Hill.

[4] Ministerio de Desarrollo Econmico, (2000) Reglamento Tcnico del Sector RAS. Colombia,

Ministerio de Desarrollo Econmico.

[5] Ministerio del Medio Ambiente, (2002) Formulacin de Planes de Pre-tratamiento de

Efluentes Industriales. Colombia, Ministerio del Medio Ambiente.

[6] Reyes, S., (2005) Efecto de las Cargas Hidrulica y Orgnica sobre la Eficiencia de Remocin

de un Empaque Estructurado en un Filtro Percolador. Tesis de licenciatura. Mxico,

Universidad de las Amricas Puebla.

[7] Rittman, B y P. McCarthy, (2002) Environmental Biotechnology: Principles and Applications.

Primera edicin, Estados Unidos, Editorial McGraw-Hill.

[8] Valencia, G., Filtros Biolgicos. Colombia, Universidad del Valle.

[9] Wang, L.; Hung, Y. y H. Lo, (2004) Handbook of Industrial and Hazardous Wastes Treatment.

Segunda edicin, Estados Unidos, CRC Press.

[10] Wang, L.; Pereira, N. y Y. Hung, (2008) Handbook of Environmental Engineering. Biological

Treatment Processes. Vol 8, primera edicin, Estados Unidos, Humana Press.

[11] Water Environment Federation, (2008) Operation of Municipal Wastewater Treatment

Plants. Sexta edicin, Estados Unidos, Editorial McGraw-Hill.

filtros percoladores

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