Filtros rápidos de arena por gravedad: Desarrollos en el diseño de pisos de filtros

Hay diferentes diseños para desagües subterráneos, importantes cuando se eliminan sólidos en suspensión del agua potable. David Shepherd de Severn Trent Services Ltd nos lleva a través de algunos desarrollos recientes.

El rendimiento de los filtros de agua potable en la eliminación de sólidos en suspensión depende de manera crucial del diseño del drenaje inferior del filtro y del soporte para el medio filtrante. En la actualidad, hay varias tecnologías de suelo de filtrado rápido por gravedad disponibles, incluido el bloque TETRA LP (perfil bajo), que tiene cada vez más instalaciones en toda Europa.

La limpieza total del medio es el requisito clave para que un filtro de gravedad rápido funcione de manera eficaz y eficiente en todas las condiciones de carga. El retrolavado de los filtros de gravedad es necesario para eliminar los sólidos recogidos por los medios durante la filtración. Se requiere un flujo ascendente de agua o una combinación de aire y agua para fluidificar y limpiar el medio.

Si bien el medio filtrante adecuado es importante para el rendimiento de los filtros de gravedad rápidos, la evidencia sugiere que el rendimiento de la filtración y el retrolavado depende en gran medida del diseño del drenaje inferior del filtro y del soporte para el medio filtrante. Se ha demostrado que el desarrollo reciente de un desagüe inferior lateral paralelo dual proporciona una distribución uniforme del agua y el aire de retrolavado. En el drenaje inferior lateral paralelo dual, se utilizan placas de plástico sinterizado para reemplazar las capas de soporte de grava en los filtros. También se utilizan placas compuestas de diferentes porosidades.

El filtro de desagüe: funciones y tipos

Los componentes principales de un filtro rápido de arena por gravedad son los medios filtrantes, las capas de soporte de grava y el drenaje inferior del filtro. El drenaje inferior sirve para soportar el medio filtrante y la grava; para recolectar agua filtrada de manera uniforme desde la parte inferior del filtro; y para distribuir el aire y el agua uniformemente por la parte inferior del filtro durante el retrolavado. La clave de estas funciones es la uniformidad de la filtración y de la distribución del aire y el agua de retrolavado. La uniformidad de la distribución del agua de retrolavado es de particular importancia. La eficiencia del filtro depende de la efectividad del ciclo de retrolavado.

En el Reino Unido, los principales tipos de desagües subterráneos que se utilizan son los de cabecera y laterales, los de piso o de boquilla de cámara de aire y los desagües subterráneos de bloque laterales paralelos dobles. Este último es un desarrollo relativamente nuevo en el mercado que se utiliza cada vez más.

Cabecera y tipo lateral

El tipo más simple de desagüe inferior es el de cabecera y lateral (Figura 1). En este tipo de drenaje inferior, el agua de retrolavado ingresa al fondo del filtro a través de una tubería o canal presurizado llamado cabezal. Las tuberías llamadas laterales están conectadas en ángulo recto al cabezal y están enterradas en las gravas del filtro. Los laterales distribuyen el agua de retrolavado a través de una serie de orificios.

El mayor inconveniente del cabezal y el desagüe inferior lateral es la dificultad de obtener una distribución uniforme del agua de retrolavado. La alta velocidad del agua de retrolavado en el cabezal hace que la presión estática del cabezal sea más alta al final. Debido a esto, los laterales al final del cabezal reciben la mayor parte del flujo. Esto puede superarse redistribuyendo la pérdida de carga del cabezal a los orificios en los laterales. Para que esto sea efectivo, la pérdida de carga a través de los orificios debe ser del orden de 2 a 3 m, una tasa que aumenta los costos de bombeo. Otro problema con este tipo de drenaje inferior es que no hay orificios en el cabezal. Sin flujo de retrolavado, esta área no se limpia correctamente.

Tipo de suelo plenum

Los desagües subterráneos tipo plenum o boquilla consisten en un piso falso penetrado por boquillas o filtros (Figura 2). Los sistemas de boquillas tienen orificios grandes y requieren el uso de grava para mantener el medio fuera de la boquilla. Los sistemas de filtro utilizan aberturas finas para retener el medio filtrante. Los diseños de piso plenum pueden sufrir problemas de distribución hidráulica similares a los de los diseños laterales y de cabecera. La velocidad del agua entrante es tal que el flujo es mayor en la entrada y cerca de los lados, a menos que la cámara impelente sea muy grande. Además, el espacio entre las boquillas suele ser bastante amplio (hasta 200 mm) y comprende de 40 a 60 por m3 de espacio del piso del filtro y pueden aparecer puntos muertos durante el retrolavado.

Hay otros desafíos involucrados en el uso del desagüe inferior tipo plenum. El fondo falso del drenaje inferior es inherentemente susceptible a fallas estructurales. Durante un retrolavado, se ejerce una presión ascendente considerable en la parte inferior de la cámara impelente. Esto se agrava si los filtros se bloquean con sólidos en suspensión o pedazos de arena y grava que pueden estar en el agua de retrolavado. Los ciclos repetidos de retrolavado pueden causar la ruptura del piso debido a la flexión repetida. La limpieza de los filtros solo se puede realizar retirando el medio filtrante. El mantenimiento se complica por el hecho de que el acceso del personal al área del pleno es un riesgo para la salud y la seguridad. Finalmente, las boquillas del drenaje inferior del piso de la cámara a menudo se dañan durante la instalación del sistema.

Diseño lateral de dos pasos

El desagüe inferior lateral de dos pasos ha sido diseñado para superar los problemas de los sistemas más comúnmente utilizados. Los problemas de distribución uniforme se resuelven utilizando dos laterales paralelos (Figura 3). El lateral central (alimentador) tiene orificios a lo largo de su longitud que se extienden hasta un segundo lateral paralelo llamado lateral de compensación. Durante el retrolavado, el agua ingresa al alimentador lateral central desde una tubería o canal presurizado y luego se distribuye al lateral de compensación a través de orificios en este lateral. Como en cualquier lateral individual, la tasa de flujo más alta ocurrirá a través de los orificios más alejados del punto de entrada. Esta variación en la tasa de flujo se equilibra en el lateral de compensación, lo que permite que el sistema proporcione una distribución uniforme del agua de retrolavado en todo el fondo del filtro mientras se minimiza la pérdida de carga.

La aplicación práctica de este diseño utiliza bloques preformados hechos de polietileno de alta densidad (Figura 4) que incorporan el alimentador y los laterales de compensación dentro de los bloques. Los bloques se entrelazan y se colocan de extremo a extremo en filas para que los laterales estén alineados continuamente a lo largo de todo el filtro (Figura 5). Las filas de bloques se colocan adyacentes entre sí a lo largo de todo el ancho del filtro, y los bloques sobre el canal se anclan con varillas de anclaje especiales y el pequeño espacio entre las filas se rellena con lechada. Esto tiene el efecto de unir los bloques para formar un piso plano y nivelado.

En comparación con los diseños tradicionales de desagüe inferior, el sistema lateral de dos pasos proporciona una distribución más uniforme del agua y el aire de retrolavado; la construcción simple del compartimiento del filtro permite un piso plano y plano; no hay piso de cámara que falle ni boquillas o filtros que bloqueen; y la instalación es sencilla.

Uso de aire fregado

Los sólidos atrapados y los productos químicos para el tratamiento del agua pueden adherirse fuertemente al medio filtrante. El método tradicional de limpieza de un filtro ha sido bombear agua limpia desde el fondo del lecho a una velocidad suficiente para fluidificar el medio. Los sólidos adheridos se cortan y eliminan. El problema con este método es que la acción de cizallamiento puede no ser suficiente para eliminar los flóculos químicos de todos los medios. Si los medios no se limpian por completo, las acumulaciones de sólidos pueden crear bolas de lodo, que pueden causar obstrucciones en el filtro y provocar un deterioro del rendimiento. Una forma de superar esto es incluir un lavado con aire o un lavado combinado con aire y agua en el ciclo de retrolavado.

En el diseño de bloque de dos pasos, el aire y el agua ingresan al alimentador lateral. Los orificios cerca de la parte superior del lateral del alimentador descargan aire de retrolavado en el lateral de compensación. Los orificios más grandes ubicados más abajo en el lateral del alimentador descargan agua de retrolavado en el lateral de compensación. Luego, la mezcla de aire y agua se descarga desde los orificios en la parte superior del lateral de compensación.

Capas de soporte de grava

Las capas de soporte de grava evitan que el medio filtrante fino ingrese al desagüe inferior y lo bloquee, y ayudan a distribuir el agua de retrolavado y el aire en el filtro. Normalmente se utilizan varias capas de grava. En la forma más simple, la grava de mayor tamaño (unos 20 mm) se encuentra en el fondo. Por encima de esto hay capas de grava más fina de hasta 2 mm en la parte superior. Cada capa tiene un espesor de aproximadamente 50 mm y la profundidad total de la grava puede ser de hasta 300 mm. Cuando se usa lavado con aire en el retrolavado, se acostumbra usar una configuración de "reloj de arena". Esta configuración es efectiva para restringir la penetración de los medios en el desagüe inferior y para prevenir la formación de montículos de grava debido al choque hidráulico durante el retrolavado.

Recientemente, se han desarrollado placas de retención de medios que pueden realizar las funciones de las capas de grava en una profundidad mucho menor. Las placas de retención de medios son placas moldeadas porosas hechas de polietileno de alta densidad y se ajustan al bloque de desagüe inferior mediante tornillos autorroscantes. Los bordes de la placa están sellados con un sellador de poliuretano aprobado y los bordes expuestos también están sellados para evitar fugas laterales. La placa tiene un espesor de unos 30 mm y se utiliza para reemplazar capas de grava de hasta 300 mm de espesor. Como resultado, el filtro puede ser menos profundo o se puede usar una mayor profundidad de medios. La pérdida de carga a través de una placa de retención de medios es igual o menor que la de la grava que reemplaza.

Hay tres tipos de placa de retención disponibles. La placa de porosidad simple está disponible de dos fabricantes. Tiene una sola capa de porosidad de 500 o 700 micras. Un fabricante ofrece biplaca que consta de dos capas de 300 micras (capa superior) y 500 micras y una triplaca con una capa de 300 micras intercalada entre dos capas exteriores de material de 500 micras. El tamaño de poro más grande se usa para proteger el material más fino del bloqueo. El tamaño de poro más grande es excelente para la mayoría de las aplicaciones de filtración y es especialmente adecuado para aplicaciones con granate fino y carbón activado.

Utilización Comercial

El drenaje inferior lateral doble se desarrolló por primera vez en los Estados Unidos en la década de 1970. Los bloques originales consistían en un solo lateral primario y dos laterales secundarios y medían 300 mm de alto por 250 mm de ancho.

El diseño actual se desarrolló a fines de la década de 1990 y se denomina bloque de perfil bajo (bloque LP). Se trata de un solo bloque de 412 mm de ancho por 225 mm de alto. El bloque se divide en dos canales. El perfil inferior del bloque permite un filtro menos profundo o una mayor profundidad del medio. Además, el área lateral principal del bloque es más grande que otros bloques, por lo que la distribución es excelente en longitudes mayores de hasta 10 m. El bloque más ancho requiere menos tiempo de instalación y menos lechada entre filas en comparación con otros bloques también. El diseño del bloque de drenaje inferior lateral doble se puede adaptar a aplicaciones de reacondicionamiento, así como a construcciones nuevas.

Resultados de OPERACION

El alcance de la mala distribución en un filtro se determina midiendo la presión de las tomas en las cámaras secundarias de los bloques a lo largo de un lateral. El porcentaje de mala distribución se calcula a partir de la fórmula: Mala distribución (%) = (1-√(Presión mínima/Presión máxima)) × 100. El porcentaje de mala distribución debe ser inferior al 10 %.

Conclusiones

El drenaje subterráneo lateral paralelo doble es un drenaje subterráneo de tipo bloque modular que brinda a los usuarios varios beneficios, incluida su facilidad de instalación, uniformidad de distribución, diseño de filtro más compacto y mayor seguridad para el operador.