Tratamiento de agua El uso de lechos filtrantes de medios granulares para la filtración de agua es una parte arraigada del tratamiento del agua y bajo el término «medios filtrantes granulares» generalmente se supone el uso exclusivo de arena y antracita. La capacidad del filtro y la calidad del filtrado producidas por diferentes tamaños de grano de medios y a diferentes profundidades de lecho se han estudiado ampliamente. Después de décadas de diseño y operación de filtración, muchos ingenieros y empresas de servicios públicos han determinado que un criterio de diseño clave es la relación L / do profundidad del lecho L dividida por el tamaño efectivo promedio de grano del filtro d.
El desarrollo de medios de gran área superficial o ‘cerámica de ingeniería rugosa’ y el uso de tecnologías mejoradas de medición de área superficial permiten relaciones de profundidad de lecho a tamaño de grano alternativas, alterando así la convencional sabiduría con respecto a las relaciones L / d. La nueva tecnología ahora brinda la oportunidad de implementar lechos menos profundos debido a los medios de mayor tamaño efectivo que, si bien tienen una relación L / d baja, aún proporcionan más área de superficie general, mejor rendimiento del filtro y mejores volúmenes de funcionamiento del filtro de la unidad (UFRV) que el filtro convencional de grano más fino y profundo. camas
Introducción
La teoría general de filtración sostiene que cuantos más granos de filtro (‘colectores’) tenga en un filtro o cuanto menor sea el tamaño promedio del medio de filtro, mejor será la calidad del filtrado. Este fenómeno ha sido investigado durante décadas, por ejemplo, Iwasaki (1937) presentó un modelo matemático que describía la eliminación de partículas basadas en la carga de sólidos, el diámetro de los medios y la profundidad de los medios. Según su ecuación, a medida que aumenta la relación L / d, aumenta la eliminación de la eficiencia de partículas. Esta teoría fue validada por Wegelin et al (1986):
Relación L / d: un valor adimensional que se obtiene dividiendo la longitud (profundidad) de un lecho filtrante de medios granulares por el diámetro efectivo ‘ponderado’ del medio filtrante. El diámetro efectivo ponderado de los medios se calcula en función del porcentaje de la profundidad total del lecho aportado por cada capa de medios.
Filtración efectiva
Independientemente de la teoría de filtración aplicada (movimiento browniano, impactación inercial, sedimentación, esfuerzo o difusión), la verdad básica es que cuantos más granos de medios y cuanto más pequeños sean los granos, mayor será la filtración efectiva de partículas.
Esta teoría tiene limitaciones en relación con el tamaño de grano y la profundidad del lecho filtrante. Cuando el tamaño del grano se vuelve demasiado pequeño, la pérdida de carga del filtro limpio es prácticamente alta y los tiempos de funcionamiento del filtro son demasiado cortos, generalmente debido al cegamiento de la superficie del medio fino. Por ejemplo, cuando se prueba arena de filtro de 0.5 mm de tamaño a 24 pulgadas de profundidad (un L / d de 1,220), la pérdida de carga limpia puede ser aceptable, pero las tendencias de cegamiento de la superficie del filtro pueden limitar las aplicaciones para esta configuración.
Cuando se utilizan filtros de lecho profundo como los de 6 pies de profundidad con medios de arena de 1.5 mm (un L / d de 1,218), por ejemplo, la calidad del efluente puede ser similar a la obtenida del uso de arena de filtro más fina y la pérdida de carga limpia será reducido. Sin embargo, la implementación de camas de 6 pies de profundidad tiene costos de instalación y operación significativos y puede ser poco práctico.
Para las plantas que usan un pretratamiento de clarificación convencional, una configuración de filtro dual común utiliza 24 pulgadas de antracita de tamaño efectivo (ES) de 0,90 mm sobre 12 pulgadas de arena ES de 0,50 mm. La relación L / D (mm profundidad / mm ES) para la antracita es 675 y para la arena es 608. Por lo tanto, la suma L / D sería 1283. En general, las empresas de ingeniería, las autoridades estatales y los operadores trabajan dentro de los 1000– Relación de 1200 L / d como guía. El valor de la relación L / d se ha derivado de años de diseño y operación de filtración. El consenso general es que una relación L / d de 1200 es el valor preferido.
En general, se acepta que la capa superior más gruesa proporcionará un espacio intersticial para acomodar sólidos más grandes que se transportan desde la coagulación. La selección de la capa superior es crítica para lograr los volúmenes de ejecución del filtro de unidad (UFRV), lo que proporciona un rendimiento de filtro razonable entre los eventos de retrolavado. Al utilizar el tamaño de grano correcto en la sección superior del lecho filtrante, influimos mucho en la profundidad de penetración de los sólidos en el lecho.
La filtración tiene que ver con la disponibilidad del colector y el área de superficie, independientemente del fenómeno de fijación de partículas que adoptemos. La conclusión es que la cantidad de área de superficie disponible es crucial para el rendimiento de cualquier filtro. Si bien los tamaños de espacio intersticial, la composición química del receptor y la forma del receptor son consideraciones importantes, el concepto general es que se requiere una cantidad mínima de área de superficie para una filtración efectiva.
Medición y evaluación del área de superficie.
La medición del área superficial de los receptores (granos de filtro) es un tema poco discutido. La mayoría de los datos sobre el área de superficie presentan sorción de nitrógeno BET (o helio como gas alternativo) y pruebas de referencia de materiales carbonosos como antracita y carbón activado granular (GAC).
El uso de la sorción de nitrógeno en materiales carbonosos como la antracita es problemático. La molécula de nitrógeno es extremadamente pequeña a 3.16 angstroms (0.000316 micras) y fluirá hacia capilares o microfracturas dentro del grano, midiendo así el área de superficie que no influye en absoluto en la filtración de partículas.
Los poros se clasifican en tres categorías según el tamaño: microporos (diámetro de poro menor de 2 nm); mesoporos (diámetro de poro 2-50 nm); y macroporos (diámetro de poro mayor de 50 nm) [Sing et al. 1985]. La sorción de gas nitrógeno es ideal para medir rangos de diámetro de poro de 0.3 a 300 nm. La porosimetría de mercurio es la más adecuada para la medición de macroporos y rugosidades de superficie que oscilan entre 300 nm y 200 micras). Las pruebas de poros de menos de 300 nm requieren presiones de mercurio aplicadas en exceso de 60,000 psi, lo que resulta en una cantidad significativa de distorsión de partículas y errores de datos significativos. La medición de poros en el rango de 0.5 micras requiere una presión de mercurio aplicada de ~ 450 psi y a esta presión se minimiza la compresión y distorsión de las partículas.
Según Mahajan (1991):En general, existe una amplia aceptación del siguiente modelo general para la estructura porosa del carbón; que los carbones contienen una red de poros interconectados de alta superficie, los poros en forma de hendidura tienen aberturas estrechas de dimensiones moleculares … [y] los carbones contienen porosidad abierta y cerrada.
Diferencias en el área de superficie total
Gan y col. (1972) probaron la intrusión de nitrógeno, helio y mercurio en el carbón de antracita y descubrieron diferencias significativas en el área de superficie total dependiendo del método de prueba. Tres procedimientos de prueba de área de superficie diferentes identificarían el área de superficie total por tipo de poro:
- Medición de intrusiones de mercurio poros> 300 Å que representan el 11.9% del área de superficie total.
- Nitrógeno BET que mide los poros 12–300 Å, lo que representa el 13,1%.
- Helio BET que mide poros <12 Å, que constituyen el 75% del área de superficie medible.
Para propósitos de filtración de partículas en aplicaciones convencionales, las irregularidades de la superficie por debajo de 500 nanómetros deben ser descartadas. Las impresiones o ‘poros’ por debajo de 0,5 micras estarán cubiertas por partículas individuales o aglomeradas más grandes y, por lo tanto, son de poca utilidad a menos que el agua influyente contenga coloides submicrométricos, lo cual no es la norma.
La Tabla 1 muestra los resultados de las pruebas de intrusión de mercurio de materiales de filtración comunes, así como los medios cerámicos de ingeniería rugosa Macrolite. Los datos de la prueba se han centrado en poros que tienen un tamaño de ≥ 0.5 micras y miden impresiones de superficie de hasta ≤ 250 micras de tamaño.
Limitar el tamaño del espectro superior a 250 micras ayuda a eliminar los errores causados a bajas presiones aplicadas donde el mercurio simplemente está llenando los espacios intersticiales de grano a grano. La Figura 4 muestra la contribución del área de superficie total por capa para los dos tipos de configuraciones de filtro.
Conclusiones
El análisis del área de superficie muestra claramente que al usar medios de filtro de cerámica de ingeniería rugosa, una altura de lecho comparativamente corta puede tener un área de superficie total sustancialmente mayor en comparación con los medios convencionales. Si bien el área de superficie es una influencia principal en el rendimiento de la filtración, de ninguna manera es el único factor de influencia.
Cuando se implementan medios cerámicos de ingeniería rugosa, la superficie total del lecho del filtro se puede aumentar en órdenes de magnitud en comparación con la arena y la antracita. Sin embargo, la reducción en la altura del lecho cuando se usa cerámica de ingeniería rugosa no es proporcional al área de superficie aumentada.
| Filtrar material por tipo y tamaño | Área de superficie de poros de más de 0.5 micras (M 2 / cc) | Área de superficie de poros de más de 0.5 micras (M 2 / M 3 ) | Área de superficie de poros de más de 0.5 micras (ft 2 / ft 3 ) |
| Macrolita M4 0,55 mm ES | 0.329 | 329, 179,0 | 866.0 |
| Macrolita M6 1.2 mm ES | 0.139 | 139, 278,0 | 366,0 |
| Arena 2040 0.5 mm ES | 0,0121 | 12, 164.0 | 32,0 |
| Antracita 0.9 mm ES | 0,0154 | 15, 404,0 | 41,0 |
Los filtros requieren un número mínimo de colectores de grano de filtro en la ruta del filtrado. El número de colectores influye en el porcentaje de probabilidad de intercepción de partículas. Por lo tanto, una cama de filtro con una altura total demasiado corta tendrá dificultades para cumplir con las expectativas de calidad.
Además, la rugosidad de la superficie de los medios diseñados indudablemente tendrá diferentes fuerzas hidrodinámicas sobre el filtrado debido a las irregularidades de la superficie y estas fuerzas pueden o no mejorar el rendimiento del filtro. La combinación de rugosidad y las influencias hidrodinámicas posteriores también pueden permitir un aumento del caudal por unidad de área (gpm / ft 2 ) de tasas de flujo del filtro.
La validación para cambiar a un medio como Macrolite debe incluir evaluaciones de campo en forma de pilotos de filtración. Un piloto de filtro diseñado adecuadamente es una herramienta útil para evaluar el diseño del filtro a gran escala y confirmar la altura óptima del lecho del filtro.