filtrospercoladoresingjulianmarin

Tratamiento de Aguas Residuales


Filtros Percoladores

Contenido

INTRODUCCION..................................................................................................................2

PROCESOS BIOLOGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES....................3

FILTROS PERCOLADORES...............................................................................................4

PROCESO BIOLOGICO DE REMOCION DE MATERIA ORGANICA EN EL FILTRO PERCOLADOR.....................................................................................................................6

CLASIFICACION..................................................................................................................8

Filtros de baja carga.......................................................................................................9

Filtros de media y alta carga..........................................................................................9

Filtros de muy alta carga................................................................................................9

Filtros de desbaste.........................................................................................................9

Filtros de dos etapas....................................................................................................10

CARACTERISTICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE FILTROS.................................10

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO......................................................................10

Sistemas de distribución..............................................................................................11

Medios Filtrantes...........................................................................................................11

Drenaje inferior..............................................................................................................12

Ventilación.....................................................................................................................13

Tanques de sedimentación..........................................................................................14

CONCLUSIONES...............................................................................................................15

BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................16

1Ing. Julián Marín Estrada



INTRODUCCION

El siguiente reporte de investigación expone de la manera más clara posible el proceso de degradación biológica de la materia orgánica en un filtro percolador, así como las partes que lo componen, los tipos y las consideraciones sobre su diseño; el cual forma parte del tratamiento secundario de aguas residuales en una planta de tratamiento.

Los objetivos de la investigación son los siguientes:

Identificar las partes que componen un filtro percolador y su importancia en el diseño del mismo.

Explicar el proceso de degradación biológica de la materia orgánica en el filtro percolador describiendo el tipo de microorganismos presentes y su función en dicho proceso.

Categorizar los diferentes tipos de filtros percoladores en base a las cargas hidráulica y orgánica del agua a tratar.




PROCESOS BIOLOGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Todos los procesos biológicos que se emplean en el tratamiento de agua residual, tienen su origen en procesos y fenómenos que se producen en la naturaleza. El proceso de tratamiento biológico consiste en el control del medio ambiente de los microorganismos de modo que se consigan condiciones de crecimiento óptimas.

Las principales aplicaciones de estos procesos son: la eliminación de la materia orgánica carbonosa del agua residual, medida como DBO, COT o DQO; la nitrificación; la denitrificación; la eliminación de fósforo; y la estabilización de fangos.

Los principales procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua residual se dividen en cinco grandes grupos:

Procesos aerobios: procesos de fangos activados, lagunas aireadas, digestión aerobia, filtros percoladores, filtros de desbaste, sistemas biológicos rotativos de contacto o biodiscos (RBC), biofiltros activados.

Procesos anóxicos: Denitrificación con cultivo en suspensión, y la denitrificación de película fija.

Procesos anaerobios: Digestión anaerobia, proceso anaerobio de contacto (UASB), filtro anaerobio, y lecho expandido.

Procesos anaerobios, anóxicos o aerobios combinados: Proceso de una o varias etapas.

Procesos en estanques o lagunajes: Lagunas aerobias, lagunas facultativas, lagunas anaerobias y lagunas de maduración o terciarias.

A continuación se explicará el proceso biológico aerobio de filtros percoladores aplicados al tratamiento de agua residual.




FILTROS PERCOLADORES

El primer filtro percolador se puso en funcionamiento en Inglaterra en el año 1893. El concepto de filtro percolador se originó del uso de filtros de contacto, que eran estanques impermeables rellenados con piedra machacada.

El filtro percolador moderno consiste en un lecho formado por un medio filtrante al que se adhieren los microorganismos, y a través del cual percola el agua residual, fenómeno por el cual recibe nombre el proceso, el residuo líquido se distribuye por encima del lecho mediante un distribuidor giratorio.

Este tipo de proceso de tratamiento ha sido bastante utilizado por diferentes municipalidades con población entre 2 000 y 30 000 habitantes y por industrias con una población equivalente similar. Los costos de inversión inicial y de operación son bajos. Su operación es bastante simple cuando se le compara con otros procesos físico-químicos o biológicos de tratamiento de aguas residuales, lo que implica que no se requiere personal altamente calificado para controlar su operación.

La eficiencia de todo el sistema de filtración biológica puede variar entre un 60 y un 85% dependiendo de las características de las aguas residuales, de las cargas hidráulica y orgánica que se le aplique al filtro percolador.

El medio filtrante suele estar formado por piedras (su diámetro oscila entre 2,5 y 10 cm), o diferentes materiales plásticos de relleno como las gravas plásticas (las cuales se producen con plásticos reciclados). Este material es un excelente medio filtrante y tiene la ventaja de que es muy liviano con respecto a la piedra y además




permite el lavado mucho más rápido en caso de saturación y taponamiento del lecho. La profundidad del lecho varia en cada diseño entre 0,9 y 2,5 m, con una profundidad media de 1,8 m. Los de medio filtrante de piedra suelen ser circulares y los de material plástico pueden ser circulares, cuadrados, o de otras formas y con profundidades entre 4 y 12 m.

Cada uno de los filtros posee un sistema de desagüe inferior el cual recoge el agua tratada y los sólidos biológicos que se han separado del medio, este sistema de desagüe es importante tanto como instalación de recogida como por su estructura porosa a través de la que el aire puede circular.




PROCESO BIOLOGICO DE REMOCION DE MATERIA ORGANICA EN EL FILTRO PERCOLADOR.

La materia orgánica que se halla presente en le agua residual es degradada por la población de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida sobre una capa viscosa (película biológica), en cuyas capas externas es degradada por los microorganismos aerobios, a medida que los microorganismos crecen el espesor de la película aumenta y el oxígeno es consumido antes de que pueda penetrar todo el espesor de la película, por lo que se establece un medio ambiente anaerobio, cerca de la superficie del medio, como resultado de nos disponer de una fuente orgánica externa de carbón celular, los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante se hallan en la fase endógena de crecimiento, en la que pierden la capacidad de adherirse a la superficie del medio. En estas condiciones el líquido a su paso a través del medio filtrante arrastra la película y comienza el crecimiento de una nueva, esta pérdida de la película es función de la carga hidráulica y orgánica del filtro, donde la carga hidráulica origina las velocidades de arrastre y la orgánica influye en las velocidades del metabolismo de la película biológica.

Además de la remoción de materia orgánica, los filtros percoladores pueden causar la nitrificación; bajo las condiciones apropiadas pueden crecer también bacterias nitrificadoras en la biopelícula. Éstas oxidan el nitrógeno amoniacal y lo convierten en nitratos. La nitrificación y la remoción de DQO se pueden dar simultáneamente debido a que las bacterias nitrificadoras y heterotróficas




(encargadas de la remoción de la materia orgánica) trabajan con el mismo tiempo de residencia de lodos (TRL o SRT por sus siglas en inglés). Sin embargo existen condiciones de operación de un filtro percolador que pueden favorecer ya sea la nitrificación o la remoción de DQO.

La cantidad de las bacterias existentes depende de la cantidad de nutrientes que tengan, y es más fácil que a una carga de materia orgánica alta, las bacterias heterotróficas crezcan en mayor cantidad y las nitrificadoras encuentren ya poco lugar. La nitrificación se favorece con cargas hidráulicas bajas, altas temperaturas, periodos de retención de las células largos y una concentración de DBO baja.

La comunidad biológica presente en un filtro se compone principalmente de protistas, incluyendo bacterias facultativas, aerobias y anaerobias, hongos, algas y

protozoos. Suelen también encontrarse algunos animales superiores como gusanos, larvas de insectos y caracoles.

Los microorganismos predominantes en el filtro percolador son las bacterias facultativas, las que con las bacterias anaerobias y aerobias, descomponen la materia orgánica del agua residual, los hongos son los causantes de la estabilización del agua residual, pero su contribución es importante solo a un pH bajo o con ciertas aguas residuales industriales, las algas crecen únicamente en las capas superiores del filtro a donde llega la luz solar, esta es la razón por la que las algas no toman parte directa en la degradación de residuos, pero durante el día añaden oxígeno al agua residual que se está filtrando, sin embargo, desde el




punto de vista operacional las algas pueden causar el taponamiento de la superficie del filtro por lo que se consideran un estorbo. De los protozoos que se encuentran en el filtro los del grupo ciliata son los predominantes su función no es estabilizar el agua residual sino controlar la población bacteriana. Los animales superiores se alimentan de las capas biológicas del filtro, ayudando así a mantener la población bacteriana en estado de gran crecimiento o rápida utilización del alimento.

La biopelícula que se forma junto al relleno tiene un espesor total comprendido entre 0.1 y 0.2 mm está formado de una subcapa aerobia y de otra anaerobia, si el espesor es superior a los 0.2 mm puede presentarse una obstrucción del relleno perjudicando el flujo del agua residual y la transferencia de oxigeno a los microorganismos aerobios.

El sustrato se oxida parcialmente para proporcionar la energía necesaria al proceso biológico. Otra parte del sustrato se utiliza para sintetizar nuevo material de constitución del limo.

En la subcapa anaerobia la degradación tiene lugar con formación de ácidos orgánicos CH4 y H2S. En los filtros percoladores la materia orgánica y coloidal se separa mediante oxidación aerobia, biosorción, coagulación y descomposición anaerobia.

CLASIFICACION

Originalmente los filtros percoladores eran diseñados basados en las cargas hidráulicas y orgánicas que produjeran una remoción del 80 - 90% de la DBO5 del afluente. Posteriormente la práctica fue introduciendo variaciones tanto a la carga hidráulica como a la orgánica y en la actualidad los sistemas de filtros percoladores pueden clasificarse como: filtros de baja carga, de media y alta carga, de muy alta carga, de desbaste y filtro de dos etapas.




Filtros de baja carga

Es un dispositivo relativamente sencillo y de gran facilidad, que produce una calidad estable del efluente con independencia de la naturaleza cambiante del afluente. Generalmente, se mantiene una carga hidráulica constante, por medio de bombas con control del nivel de succión o con sifones dosificadores.

Este tipo de unidades se diseña para recibir cargas orgánicas que varían entre 100 y 300 g de DBO/día/m3 de volumen del filtro, la carga hidráulica puede fluctuar entre 9 000 y 38 000 m3/día/ha de superficie del filtro Estos bien operados pueden producir un efluente con un elevado nivel de alimentación de DBO y altamente nitrificado. El desprendimiento de olores es un gran problema, en especial si el agua residual es séptica o el clima es caluroso.

Filtros de media y alta carga

En estos filtros la recirculación del efluente del filtro o del efluente final permite la utilización de cargas orgánicas más elevadas. En los filtros de media carga el flujo del caudal al filtro suele ser continuo; y los de alta carga se proyectan para cargas notablemente superiores a las correspondientes a los filtros de baja carga, y el caudal es continuo, la recirculación ayuda a prevenir el encharcamiento y a reducir los problemas de olores y proliferación de moscas.

En este tipo de unidades ya no se presenta tan fácilmente la nitrificación y en ocasiones se suele inundar el lecho por el excesivo crecimiento biológico el cual obstruye el flujo del agua residual.

Las cargas hidráulicas que se le pueden aplicar al filtro de media carga pueden variar 240 y 480 g de DBO/día/m3, y las cargas hidráulicas entre 38 000 y 90 000 m3/día/ha considerando la recirculación, mientras que para el filtro de alta carga la carga orgánica varia entre 0.5 y 1 Kg de DBO/día/m3 de lecho y las cargas hidráulicas entre 100 000 y 300 000 m3/día/ha

Filtros de muy alta carga

Estos filtros de muy alta carga trabajan a altas cargas hidráulicas y orgánicas. Las principales diferencias entre estos y los de alta carga radican en las mayores cargas hidráulicas y la mayor profundidad (8 – 13 m). Se les puede aplicar cargas orgánicas que varían de 0.8 a 1.6 Kg de DBO/día/m3 con cargas hidráulicas entre 20 y 60 l/min/m2

Filtros de desbaste

Son filtros de alta carga que se proyectan para trabajar con cargas orgánicas superiores a 1,6 kg/m3.d y cargas hidráulicas elevadas, superiores a 187 m3/m2.d.




Se utilizan como pretratamiento del agua residual antes del tratamiento secundario, y usa medios plásticos. Se emplean principalmente para reducir la carga orgánica aplicada a los procesos posteriores y para obtener una nitrificación estacional. Tienen tendencia al uso de medios sintéticos, con profundidades entre 3,7 y 12 m. Su funcionamiento depende de la temperatura, y necesitan tasas altas de recirculación por las cargas hidráulicas elevadas. La actividad biológica es similar a la de un filtro percolador.

Filtros de dos etapas

En el tratamiento de aguas residuales muy concentradas se suele usar un sistema de dos filtros en serie con un decantador intermedio para la eliminación de sólidos generados en el primer filtro. El filtro de la primera etapa y el clarificador reducen la DBO carbonosa y en la segunda etapa se produce la nitrificación.

CARACTERISTICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE FILTROS

PARÁMETROFILTRO DE

BAJA CARGAFILTRO DE

CARGA INTERMEDIAFILTRO DE

CARGA ALTAFILTRO DE

ALTA CARGACarga hidráulica m3/m2.d

1 - 4 4 - 10 10 - 40 40 - 200

Carga orgánicaKg/m3.d

0.08 – 0.32 0.24 – 0.48 0.32 – 1.0 0.80 – 6.0

Profundidad (m) 1.5 – 3.0 1.25 – 2.5 1.0 – 2.0 4.5 - 12Relación derecirculación

0 0 - 1 1 - 3 ; 2 - 1 1 - 4

Medio filtrantePiedras, escorias,

etc.Piedras, escorias, etc.

Piedras, materiales sintéticos.

Materiales sintéticos.

Potencia requeridakW/103 m3 2 - 4 2 - 8 6 -10 10 - 20

Moscas en el filtro Muchas IntermedioPocas larvas son

arrastradasPocas o ninguna

Arrastre de sólidos Intermitente Intermitente Continuo ContinuoIntervalos de dosificación

Intervalos de 5 minutos

15 a 60 s(continuo)

No mas de 15(continuo)

Continuo

EfluenteTotalmente nitrificado

Parcialmente nitrificado

Nitrifica concargas bajas

Nitrifica concargas bajas

Fuente: Metcalf y Eddy. 1992.

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO

Los factores a considerar en el diseño de filtros percoladores son:

1. Tipo y características de alimentación del sistema de distribución.2. Tipo de medio filtrante a utilizar.3. Configuración del sistema de drenaje inferior.4. Provisión de la ventilación adecuada, bien por corriente de aire natural de

aire o forzada.5. Diseño de los depósitos de sedimentación requeridos.




Sistemas de distribución

Consiste en dos o más brazos montados sobre un pivote en el centro del filtro que giran en el plano horizontal, los brazos son huecos y tiene boquillas por las que se descarga residual sobre el lecho del filtro, el distribuidor puede ser impulsado por un motor eléctrico o por la reacción dinámica del agua residual que descarga por las boquillas. La velocidad de giro variará con el caudal en la unidad accionada por reacción, pero deberá ser del orden de una vuelta cada 10 minutos, las boquillas deberán ser espaciadas de forma irregular, para así conseguir más flujo por unidad de longitud cerca de la periferia que en el centro. Los distribuidores se fabrican para lechos con diámetros de hasta 60 m.

Las características más importantes que se debe tener en cuenta al elegir un distribuidor son:

Robustez de construcción.Facilidad de limpieza.Capacidad de manejar grandes variaciones de caudal manteniendo la adecuada velocidad de giro.Resistencia a la corrosión.

Medios Filtrantes

Un material de elevada área superficial por unidad de volumen, que sea económico y duradero y que no se obstruya fácilmente es el medio filtrante ideal. El material más aconsejable suele ser graba o piedra triturada clasificada por tamaño uniforme, generalmente 2.5 – 7.5 cm, al roca volcánica es también conveniente, también se usa materiales tales como escoria, cenizas o antracita, piedras de diámetro inferior a 2.5 cm no son aconsejadas, la uniformidad del tamaño es un modo de asegurar el espacio adecuado de los poros.




Medios sintéticos para el tratamiento de residuos industriales fuertes se han utilizado con éxito recientemente, estos consisten en láminas de plástico entrelazadas dispuestos como un panal de miel para producir unos medios sumamente porosos y antiobstrucción, este tipo de medio filtrante puede ajustarse a cualquier configuración de filtro, se pueden construir filtros de hasta 6 m de profundidad. La elevada capacidad hidráulica y resistencia a obstrucciones de estos medios sintéticos se aprovechan mejor en un filtro de alta carga.

El uso de relleno plástico conlleva las siguientes ventajas en relación a los materiales de relleno tradicionales:

Presenta una elevada área superficial de contacto donde se realiza el proceso biológico (153 m2/m3).Gracias a su superficie satinada, favorece la fijación de las colonias de bacterias.Presenta escasos problemas de obstrucción a causa de la colmatación.Permite trabajar con elevadas cargas hidráulicas.Es un material ligero, de fácil manipulación, pero muy resistente a la corrosión.Ofrece un mayor tiempo de retención de agua y, en consecuencia, un elevado tiempo de contacto entre el afluente y la biomasa.Por su especial diseño fracciona el fluido descendiente, reduciéndolo a finas gotas para obtener el máximo rendimiento.

Drenaje inferior

El sistema de recogida recibe el agua residual filtrada y los sólidos descargado del medio filtrante y los lleva a un conducto que se prolonga hasta el tanque de sedimentación final, el sistema está compuesto de la solera del filtro del canal de recogida y de los drenes inferiores. Los drenes inferiores están compuestos de




bloques de arcilla vitrificada, con las partes superiores granuladas que admiten agua residual y soportan el medio filtrante, el cuerpo del bloque consta de dos o tres canales con las partes inferiores curvadas, las que forman los canales de drenaje inferior cuando se extienden de lado a lado y cubren toda la solera del filtro.

Los drenes se colocan directamente sobre la solera del filtro, que tiene una pendiente de 1 a 2 % hacia el canal colector con el fin de facilitar la inspección, y evitar las obstrucciones, los drenes pueden estar abiertos en ambos extremos, los drenes se limpian con una descarga de agua. Otra función de las drenes inferiores es ventilar el filtro, proporcionando así aire para los microorganismo que viven en la película biológica de este y deberán estar abiertos al menos a un canal periférico para la ventilación de la pared así como al canal colector central (3).

Ventilación

La ventilación normal tiene lugar por gravedad dentro del filtro (2), al existir generalmente una diferencia de temperatura entre el agua residual y el medio ambiente habrá un proceso de intercambio de calor dentro del lecho del filtro, el cambio de temperatura del aire dentro del filtro provoca un cambio de densidad y así se establece una corriente de convección, la dirección del flujo depende de las temperaturas relativas del aire y del agua residual, si la temperatura del aire es mayor que la del agua residual el flujo de aire a través del filtro será descendente, si el aire está más frío que le agua, el flujo de aire será ascendente.

La ventilación natural a resultado ser eficaz para los filtros percoladores, siempre que se tomen las siguientes precauciones:

Los drenes inferiores y canales de recogida deben diseñarse para que fluyan llenos solamente hasta la mitad de su altura, proporcionando así paso al aires.En ambos extremos del canal central de recogida se instalarán cámaras de registro para la ventilación, provistas de tapas de rejilla abierta.Los filtros de gran diámetro deberán tener canales colectores secundarios con orificios o chimeneas de ventilación situados cerca dela periferia del filtro.La zona abierta de las ranuras, en la parte superior de los bloques de los drenes inferiores, no será inferior al 15% del área del filtro.Por cada 25m2 del área del filtro deberá proporcionarse un área total de 0.1m2 de rejilla abierta en las cámaras y chimeneas de ventilación.

Los filtros se diseñan de tal forma que todo el medio filtrante pueda inundarse con agua residual y, a continuación, desaguarse sin provocar rebosamiento. La inundación es un método eficaz de lavar el filtro, corregir el estancamiento y controlar la acumulación de las larvas de moscas en el filtro.




Tanques de sedimentación

Su función es producir un efluente clarificado, todo le fango existente en los tanques de sedimentación de los filtro percoladores es extraído y enviado a las instalaciones de tratamientos de fangos, en el diseño de estos tanques la carga de superficie se basa en le caudal de planta más el de recirculación menos el flujo de sólidos hacia el fondo del tanque, el que con frecuencia es ignorado, la carga superficial a caudal punta no debe exceder los 48m3/día*m2.




CONCLUSIONES

Mediante la siguiente investigación documental hemos podido describir el proceso de degradación biológica de la materia orgánica presente en las aguas residuales del afluente de un filtro percolador la que se lleva a cabo por microorganismos aerobios adheridos al medio filtrante, los que conforman la biopelícula, en donde a medida que los organismos crecen la película biológica se hace mas gruesa y el oxigeno es consumido antes de penetrar todo el espesor de la película por lo que se crea un medio anaerobio, la materia orgánica es metabolizada antes de llegar a la superficie del medio filtrante en donde los microorganismos se encuentran en su fase endógena por lo que pierden la capacidad de adherirse mientras que el agua residual, que es vertida al sistema, arrastra la película permitiendo el crecimiento de una nueva.

Lo anterior está en función de la carga orgánica e hidráulica del filtro, las que determinan los diferentes tipos de filtro percoladores: filtros de baja carga, de media y alta carga, de muy alta carga, de desbaste y filtro de dos etapas; los cuales fueron descritos en la investigación.

También se explicaron las partes que conforman un filtro percolador y se describió la importancia y características de cada una en el diseño del sistema de tratamiento.




BIBLIOGRAFIA

GORDON, M. et al.: Ingeniería sanitaria y aguas residuales: purificación de aguas y tratamiento de aguas residuales. Tomo II, Editorial Limusa-Wiley, S.A., Primera edición, México.

JIMENEZ, B, “La contaminación ambiental en México: causas, efectos y tecnología apropiada”, Editorial Limusa, México. 2001.

METCALF & EDDY, "Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento, vertido y reutilización". 3ª Ed. Editorial McGraw-Hill. 1998.

R.S. RAMALHO, “Tratamiento de las Aguas Residuales. Ed. Reverte, Barcelona, 1990.

REYES-LARA, S.;REYES-MAZZOCO, R. “efecto de las cargas hidráulica y orgánica sobre la remoción masica de un empaque estructurado en un filtro percolador”. Revista Mexicana de Ingeniería Química, Vol. 8, Núm. 1, sin mes, 2009, Universidad Autónoma Metropolitana. México.

VALENCIA, G, “Filtros Biológicos”, Universidad del Valle, Calí, Colombia.


filtrospercoladoresingjulianmarin

Documents