Filtre d'arena

Filtre d'arena utilisat per al tractament d'aigua

Els filtres d'arena s'utilisen com un pas en el procés de tractament de l'aigua per a la seua purificació. Hi ha tres tipos principals: filtres d'arena ràpits (per gravetat), filtres d'arena de fluix ascendent i filtres d'arena llents. Els tres métodos s'utilisen àmpliament en l'indústria de l'aigua en tot lo món. Els dos primers requerixen l'us de productes químics floculantes per a funcionar eficaçment, mentres que els filtres d'arena llents poden produir aigua de molt alta calitat en una eliminació de patógenos del 90% a el >99% (depenent dels ceps), sabor i olor sense necessitat d'ajudes químiques. Els filtres d'arena, ademés d'utilisar-se en les plantes de tractament d'aigua, poden amprar-se per a la purificació de l'aigua en les llars, ya que utilisen materials que estan a l'alcanç de la majoria de la gent.

Història

L'història de les tècniques de separació es remonta a temps molt lluntans, ya que els materials filtrantes ya s'utilisaven en l'antiguetat. Els juncs i les plantes genistas s'utilisaven per a omplir recipients de tamizado que separaven els materials sòlits i líquits. Els egipcíacs també utilisaven recipients d'argila porosa per a filtrar l'aigua potable, el vi i atres líquits.

Concepte de filtració en llit d'arena

Archiu:20150415- CAPS 1 (20027438519).jpg

Filtres d'arena en una explotació de tomates en Califòrnia

Un filtre de llit d'arena és una espècie de filtre de profunditat. En térmens generals, existixen dos tipos de filtres per a separar partícules sòlides de decorreguts:

• Filtres de superfície, en els que les partícules es capturen en una superfície permeable.
• Filtres de profunditat, en els que les partícules es capturen dins d'un cos poroso de material.

Ademés, existixen dispositius passius i actius per a provocar la separació sòlit-líquit, com a tancs de sedimentación, filtres de malla autolimpiables, hidrociclones i centrifugador

Hi ha varis tipos de filtres de profunditat, alguns en material fibroso i uns atres en material granular. Els filtres de llit d'arena són un eixemple de filtre de profunditat de material granular solt. Solen utilisar-se per a separar chicotetes cantitats (<10 parts per milló o <10 g per metro cúbic) de sòlits fins (<100 micrómetros) de solucions acuosas. Ademés, solen utilisar-se per a purificar el decorregut més que per a capturar els sòlits com a material valiós. Per això, troben la majoria dels seus usos en el tractament d'efluents líquits (aigües residuals).

Mecanismes de captura de partícules sòlides

Els filtres de llit d'arena funcionen proporcionant a les partícules sòlides moltes oportunitats de ser capturades en la superfície d'un gra d'arena. A mida que el decorregut fluïx a través de l'arena porosa per un recorregut tortuoso, les partícules s'acosten als grans d'arena. Poden ser capturades per un de varis mecanismes:

• Colisió directa
• Atracció per la força de Van der Waals o de London
• Atracció per càrrega superficial
• Difusió

Ademés, es pot evitar que les partícules sòlides siguen capturades per la repulsió de la càrrega superficial si la càrrega superficial de l'arena és del mateix signe (positiu o negatiu) que la de les partícules sòlides. Ademés, és possible desestajar les partícules capturades, encara que poden tornar a ser capturades a major profunditat dins del llit. Per últim, un gra d'arena que ya està contaminat en sòlits particulados pot tornar-se més atractiu o repelir els sòlits particulados d'adició. Açò pot ocórrer si en adherir-se al gra d'arena la partícula pert càrrega superficial i es torna atractiva per a les partícules adicionals o lo contrari i es manté la càrrega superficial repelint més partícules del gra d'arena.

En algunes aplicacions, és necessari pretratar l'efluent que fluïx cap a un llit d'arena per a garantisar que es puguen capturar les partícules sòlides. Açò es pot conseguir per mig d'un de varis métodos:

• Ajust de la càrrega superficial de les partícules i de l'arena per mig de la modificació del pH
• Coagulació: adició de menuts cationes altament carregats (normalment s'utilisa alumini 3+ o calcio 2+)
• Floculació: adició de chicotetes cantitats de cadenes d'polímero carregats que formen un pont entre les partícules sòlides (fent-les més grans) o entre les partícules sòlides i l'arena.

Règims de funcionament

Poden funcionar en decorreguts ascendents o descendents, sent estos últims molt més habituals. En el cas dels dispositius de fluix descendent, el decorregut pot fluir a pressió o només per gravetat. Els filtres de llit d'arena a pressió solen utilisar-se en aplicacions industrials i solen denominar-se filtres de llit d'arena ràpits. Les unitats alimentades per gravetat s'utilisen en la purificació de l'aigua, especialment de l'aigua potable, i estos filtres han trobat un ampli us en els països en desenroll (filtres d'arena llents).

En general, hi ha vàries categories de filtres de llit d'arena:

• filtres d'arena ràpits (per gravetat)
• filtres d'arena ràpits (de pressió)
• filtres d'arena de fluix ascendent
• filtres d'arena llents

L'esquema ilustra l'estructura general d'un filtre d'arena de pressió ràpit. L'arena del filtre ocupa la major part de l'espai de la cambra. S'assenta sobre un sol de filtre o sobre un sistema de drenage que permet l'eixida de l'aigua filtrada. L'aigua bruta pretratada entra en la cambra de filtrat per la part superior, fluïx a través del mig filtrante i l'efluent es drena a través del sistema de drenage en la part inferior. Les grans plantes de procés tenen també un sistema implementat per a distribuir uniformemente l'aigua bruta al filtre. Ademés, sol incloure's un sistema de distribució que controla el fluix d'aire. Este sistema permet una distribució constant de l'aire i de l'aigua i evita cabals d'aigua massa elevats en zones específiques. Una distribució típica dels grans ix pel retrolavado freqüent. Els grans de menor diàmetro predominen en la part superior de la capa d'arena, mentres que els grans grossos dominen en les parts inferiors.

Dos processos que influïxen en la funcionalitat d'un filtre són la maduració i la regeneració. Al principi d'un nou funcionament del filtre, l'eficàcia del filtre aumenta simultàneament en el número de partícules capturades en el mig. Este procés es denomina maduració del filtre. Durant la maduració del filtre, l'efluent pot no complir en els criteris de calitat i deu ser reinyectado en passos anteriors de la planta. Els métodos de regeneració permeten la reutilisació del mig filtrante. S'eliminen els sòlits acumulats en el llit filtrante. Durant el retrolavado, l'aigua (i l'aire) es bombeja cap a arrere a través del sistema de filtrat. L'aigua de retrolavado pot ser parcialment reinyectada davant del procés de filtrat i les aigües residuals generades deuen ser rebujades. El temps de retrolavado ve determinat pel valor de turbidez darrere del filtre, que no deu superar un llindar establit, o per la pèrdua de càrrega a través del mig filtrante, que tampoc deu superar un valor determinat.

Disseny de filtre de llit d'arena de pressió ràpida

Filtre de pressió ràpida 1=aigua bruta, 2=aigua filtrada, 3=depòsit, 4=aigua de llavat d'entrada, 5=aigua de llavat d'eixida, 6=llínea de retracció, 7=aire d'agranada, 8=injector, 9=capa de soport, 10=arena de filtrat, 11=embut de llavat, 12=ventilació

Els grans d'arena més menuts proporcionen més superfície i, per tant, una major descontaminación de l'aigua d'entrada, pero també requerixen més energia de bombeig per a impulsar el decorregut a través del llit. Un compromís és que la majoria dels filtres de llit d'arena de pressió ràpida utilisen grans en el ranc de 0,6 a 1,2 mm, encara que per a aplicacions especialisades poden especificar-se atres tamanys. Les partícules d'alimentació més grans (>100 micrómetros) tendiran a bloquejar els poros del llit i ho convertiran en un filtre de superfície que se cega ràpidament. Es poden utilisar grans d'arena més grans per a superar este problema, pero si hi ha cantitats significatives de sòlits grans en l'alimentació, deuen eliminar-se abans del filtre de llit d'arena per mig d'un procés com el decantament: 302-303

Es recomana que la profunditat del llit d'arena siga d'uns 0,6-1,8 m, independentment de l'aplicació. Açò està relacionat en el rendiment màxim que es comenta a continuació.

Les orientacions sobre el disseny dels filtres de llit d'arena ràpits sugerixen que deuen funcionar en un cabal màxim de 9 m³/m²/hora. A partir del cabal necessari i del fluix màxim, es pot calcular la superfície necessària del llit.

L'últim punt clau del disseny és assegurar-se de que el decorregut es distribuïxca correctament pel llit i que no hi haja camins preferents per al decorregut en els que l'arena puga ser arrastrada i el filtre es veja compromés.

Els filtres de llit d'arena de pressió ràpida solen funcionar en una pressió d'alimentació de 2 a 5 bar(a) (28 a 70 psi(a)). La caiguda de pressió a través d'un llit d'arena net sol ser molt baixa. Aumenta a mida que es capturen les partícules sòlides en el llit. Les partícules sòlides no es capturen de manera uniforme en la profunditat, sino que es capturen més en la part superior del llit i el gradient de concentració decau exponencialment.

Este tipo de filtre captura partícules fins a tamanys molt menuts i no té un tamany de cort real per baix del com les partícules sempre passen. La forma de la curva d'eficiència del tamany de les partícules del filtre és una forma d'O en altes taxes de captura de partícules per a les partícules més chicotetes i més grans en una caiguda en el mig per a les partícules de tamany mig. L'acumulació de partícules sòlides provoca un aument de la pressió perduda a través del llit per a un cabal determinat. En un llit alimentat per gravetat, quan la pressió disponible és constant, el cabal disminuïx. Quan la pèrdua de pressió o el cabal són inacceptables i el filtre deixa de funcionar eficaçment, el llit es llava a contracorrent per a eliminar les partícules acumulades. En el cas d'un filtre de llit d'arena ràpit presurizado, açò ocorre quan la pèrdua de pressió és d'uns 0,5 bars. El decorregut de retrolavado es bombeja cap a arrere a través del llit fins que es fluidifica i s'expandix fins a un 30% (els grans d'arena escomencen a mesclar-se i, en fregar-se, expulsen les partícules sòlides). Les partícules sòlides més chicotetes s'eliminen en el decorregut de retrolavado i es capturen normalment en un tanc de sedimentación. El fluix de decorregut requerit per a fluidizar el llit és típicament de 3 a 10 m³/m²/hr pero no s'eixecuta per molt temps (uns pocs minuts).^{: 224-235} Es poden perdre chicotetes cantitats d'arena en el procés de retrolavado i pot ser necessari reblir el llit periòdicament.

Disseny de filtre d'arena llent

Com indica el títul, la velocitat de filtració es modifica en el filtre d'arena llent, no obstant, la major diferència entre el filtre d'arena llent i el ràpit, és que la capa superior d'arena és biològicament activa, ya que s'introduïxen comunitats microbianas en el sistema. La profunditat recomanada i habitual del filtre és de 0,9 a 1,5 metros. La capa microbiana es forma en un determini de 10 a 20 dies des de l'inici de l'operació. Durant el procés de filtració, l'aigua bruta pot filtrar-se a través del mig d'arena porosa, detenint i atrapant la matèria orgànica, les bactèries, els virus i els quiste com Giardia i Cryptosporidium. El procediment de regeneració dels filtres d'arena llents es denomina raspat i s'utilisa per a eliminar mecánicamente les partícules seques del filtre. No obstant, este procés també pot realisar-se baix l'aigua, depenent de cada sistema. Un atre factor limitante per a l'aigua a tractar és la turbidez, que per als filtres llents d'arena es definix com 10 NTU (Unitats de Turbidez Nefelométrica). Els filtres llents d'arena són una bona opció per a les operacions de presupost llimitat, ya que la filtració no utilisa cap producte químic i requerix poca o cap assistència mecànica. No obstant, pel continu creiximent de la població en les comunitats, els filtres d'arena llents estan sent substituïts per filtres d'arena ràpits, sobretot per la duració del periodo de funcionament.

Característiques dels filtres d'arena ràpits i llents

Característiques	Filtre ràpit d'arena	Filtre d'arena llent
Taxa de filtració [m/h]	5–15	0,08–0,25
Tamany efectiu del mig [mm]	0,5–1,2	0,15–0,30
Profunditat del llit [m]	0,6–1,9	0,9–1,5
Temps d'eixecució	1–4 dies	1–6 mesos
Periodo de maduració	15 min – 2 h	Varis dies
Método de regeneració	Retrolavado	Raspat
Turbidez màxima de l'aigua crua	Illimitat en el pretratamiento adequat	10 UNT

Disseny de filtre de llit ascendent

El filtre d'arena de retrolavado continu o de fluix ascendent és el règim de funcionament més nou. La diferència més clara sobre els anteriors, és que l'aigua a filtrar s'alimenta des del fondo i l'aigua filtrada s'obté en la part superior. Este fluix invers permet integrar el procés de llavat a contracorrent en el procés de filtració, en lo que es disminuïx la cantitat d'aigua de llavat a utilisar i es reduïx el temps de neteja. La càrrega màxima és d'uns 5,4 lps/m² en una pèrdua de càrrega constant de 0,6 m.

Filtres de llit mixt

Els filtres que tenen diferents capes filtrantes es denominen filtres de llit mixt o filtres multimèdia. L'arena és un material filtrante comú, pero la antracita, el carbó activat granular (CAG), el granate i l'ilmenita també són materials filtrantes habituals. La antracita és un material més dur i menys volàtil que atres carbons. La ilmenita i el granate són més pesats que l'arena. El granate està format per varis minerals, lo que provoca un color roig canviant. La ilmenita és un òxit de ferro i titani. El CAG pot utilisar-se en el procés d'adsorció i filtració al mateix temps. Estos materials poden utilisar-se tant solo com combinats en atres mijos. Pero les capes filtrantes sempre s'ordenaran per densitat, els composts més pesats s'assentaran en el fondo, mentres que els més llaugers se situaran en la part superior. Les diferents combinacions donen una classificació diferent del filtre i també una porosidad diferent en tot el filtre, lo que es traduïx en una caiguda de pressió diferent. Una disposició molt comuna per a estos filtres és la composta per: antracita en la part superior, arena i granate, en un soport de grava en el fondo. La profunditat d'estos filtres sol estar entre 0,6-1 m, per damunt d'1 m la pèrdua de càrrega aumenta molt i per baix de 0,6 m es reduïx la gruixa de cada capa filtrante, en lo que es reduïx la seua eficàcia. El fluix operatiu nominal i la caiguda de pressió estan entre 3-7 gpm/ft² i 3-7 psi. Quan la caiguda de pressió aumenta per damunt de 10 psi, és necessària una operació de retrolavado, que consistix en invertir el fluix (l'aigua va cap a dalt) per a eliminar les partícules atrapades en el mig filtrante, i este eixirà per la part superior del filtre en l'aigua de retrolavado. Lo habitual és que el retrolavado siga al voltant de 3 voltes el fluix normal de filtrat (deu ser lo suficientment alt com per a alçar el mig filtrante i eliminar les partícules atrapades en ell). El monomedio és un filtre d'una sola capa, comunament compost per arena i hui en dia és reemplaçat per una tecnologia més nova. El monomedio de llit profunt és també un filtre d'una capa que consistix en antracita o CAG. El filtre monomedia de llit profunt s'utilisa quan la calitat de l'aigua és constant i proporciona un major temps de funcionament. Els mijos dobles (de dos capes) solen contindre una capa d'arena en el fondo i una capa de antracita o CAG en la part superior. El trimedia o mig mixt és un filtre en tres capes. Els trimedia solen tindre granate o ilmenita en la capa inferior, arena en el mig i antracita en la superior.

Usos en el tractament de l'aigua.

Tots estos métodos s'utilisen àmpliament en l'indústria de l'aigua en tot lo món. Els tres primers de la llista anterior requerixen l'us de productes químics floculantes per a funcionar eficaçment. Els filtres d'arena llents produïxen aigua d'alta calitat sense l'us d'auxiliars químics.

En passar l'aigua floculada a través d'un filtre d'arena de gravetat ràpida, es filtra el flóculo i les partícules atrapades en ell, lo que reduïx la cantitat de bactèries i elimina la majoria dels sòlits. El mig del filtre és arena de diferents graus. Quan el sabor i l'olor poden ser un problema (impactes organolépticos), el filtre d'arena pot incloure una capa de carbó activat per a eliminar dit sabor i olor. Els filtres d'arena s'obstruïxen en flóculo o es obstruïxen biològicament despuix d'un periodo d'us. Els filtres d'arena llents es raspen (vejau més arriba), mentres que els filtres d'arena ràpits es llaven a contracorrent o a pressió per a eliminar l'flóculo. Esta aigua de llavat a contracorrent s'introduïx en tancs de sedimentación per a que l'flóculo s'asentir i s'elimine com a material de rebuig. L'aigua sobrenadante es torna al procés de tractament o s'elimina com a corrent d'aigües residuals. En alguns països, els fancs poden utilisar-se com acondicionador del sol. El manteniment inadequat dels filtres ha segut la causa de la contaminació ocasional de l'aigua potable.

Els filtres d'arena s'utilisen ocasionalment en el tractament de les aigües residuals com a etapa final de poliment. En estos filtres l'arena atrapa el material residual en suspensió i les bactèries i proporciona una matriu física per a la descomposició bacteriana del material nitrogenat, incloent l'amoníac i els nitrat, en gas nitrogen.

Els filtres d'arena són un dels processos de tractament més útils, ya que el procés de filtrat (especialment en la filtració llenta d'arena) combina en sí mateixa moltes de les funcions de purificació

Ventages i llimitacions

Una de les ventages dels filtres d'arena és que són útils per a diferents aplicacions. Ademés, els diferents tipos de funcionament: ràpit, llent i de fluix ascendent, permeten certa flexibilitat per a adaptar el método de filtració a les necessitats i requeriments dels usuaris. Els filtres d'arena permeten una alta eficàcia en l'eliminació de color i microorganismes, i en ser molt senzills, els costs de funcionament són molt baixos. Ademés, la seua senzillea facilita l'automatisació dels processos, per lo que requerixen menys intervenció humana.

Les principals llimitacions d'esta tecnologia estarien relacionades en la colmatación, és dir, l'obstrucció del mig filtrante, que requerix una cantitat important d'aigua per a realisar l'operació de retrolavado i l'us de productes químics en el pretratamiento. Ademés, els filtres d'arena llents solen requerir majors superfícies de terreny en comparació als de fluix ràpit, especialment si l'aigua bruta està molt contaminada. No obstant, a pesar d'estes llimitacions, oferixen moltes més capacitats i per això s'utilisen àmpliament en l'indústria.

Reptes en el procés de solicitut

En el procés de tractament de l'aigua, cal tindre en conte certs factors que poden causar greus problemes si no es tracten adequadament. Els processos mencionats anteriorment, com la maduració del filtre i el retrolavado, influïxen no només en la calitat de l'aigua, sino també en el temps necessari per al tractament complet. El llavat a contracorrent reduïx també el volum de l'efluent. Si cal suministrar certa cantitat d'aigua a, per eixemple, una comunitat, cal tindre en conte esta pèrdua d'aigua. Ademés, els residus del retrolavado deuen tractar-se o rebujar-se adequadament. Des del punt de vista químic, la variació de la calitat de l'aigua bruta i els canvis de temperatura afecten, ya a l'entrada de la planta, a l'eficàcia del procés de tractament. Els models utilisats per a la construcció de filtres d'arena comporten una gran incertitut. Açò es deu a les suposicions matemàtiques que cal fer, com que tots els grans són esfèrics. La forma esfèrica afecta a l'interpretació del tamany, ya que el diàmetro és diferent per als grans esfèrics i no esfèrics. El empaquetamiento dels grans dins del llit també depén de la forma dels grans. Açò afecta a la porosidad i al fluix hidràulic.