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Postgrado en Ingeniería Sanitaria y Ambiental

   
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Evaluación Hidráulica de la Filtración Gruesa Dinámica con Lechos de Grava Mezclados y Estratificados.

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Autor (es):

Rosa Helena Velásquez


Director:

Jorge Latorre Montero


Resumen:

La filtración en múltiples Etapas FiME, es una alternativa tecnológica para el mejoramiento de la calidad del agua, la cual sin uso de químicos, produce agua a bajo riesgo sanitario para consumo humano. Se compone de una o varias etapas de pretratamiento en medios de grava seguidas de filtración lenta en arena. FLA. Estas etapas son filtración gruesa dinámica, FGDi y filtración gruesa ascendente, FGA, donde el FGDi se orienta principalmente a la reducción de sólidos suspendidos, removiendo partículas más grandes.

El filtro grueso dinámico consiste básicamente de dos o más módulos operados en paralelo, donde en cada unidad se instalan lechos de gravas, con longitud total de 0.6 m, empacados en tres capas de 0.2 m de espesor, con grava fina (6-13 mm) en la superficie, grava mediana (13-19 mm) en la capa intermedia y grava gruesa (19-25 mm) en el fondo de la capa de soporte. El agua que llega a la unidad fluye verticalmente a través de los lechos de grava y se recolecta en el fondo por un sistema de drenaje que la conduce a la etapa de tratamiento siguiente.

Al inicio de la carrera de filtración el FGDi opera a tasa constante hasta alcanzar una pérdida de carga cercana a 0.05 m, condicionada por la altura del vertedor de excesos. A partir de este punto y en la medida que aumenta la resistencia hidráulica, la unidad empieza a declinar y el caudal se distribuye entre el caudal filtrado y el caudal de rebose. Debido a que los sólidos se acumulan tanto en la superficie de las gravas como en los intersticios de las mismas, el lecho filtrante se va obstruyendo paulatinamente.

Cuando la calidad o la cantidad del agua producida pro el FGDi no cumple con los requerimientos del filtro grueso ascendente, es necesario restaurar la capacidad productiva del filtro mediante actividades de operación y mantenimiento, las cuales deben realizarse conservando la estratigrafía inicial evitando las mezclas de las capas de grava, pues de ocurrir esto, el filtro cambia de un medio estratificado a uno NO estratificado, cuyo comportamiento hidráulico y eficiencias remocionales se desconocen.

El estudio de los FGDi con lechos NO estratificados y estratificados constituyó el objeto de investigación de este trabajo. Se considera importante ya que de sus resultados se podrá concluir acerca de criterios de diseño; especificaciones de los lechos de grava y sus formas de colocación; aspectos de operación y mantenimiento y eficiencias remocionales en turbiedad y sólidos suspendidos.

La fase experimental de esta investigación se realizó en la Estación de Investigación y Transferencia de Tecnología que el Instituto Cinara de la Universidad del Valle, posee en los predios de la Planta de Tratamiento de Agua Potable de EMCALI, en Puerto Mallarino, en la ciudad de Cali. Para el estudio se utilizaron tres unidades operando en paralelo, con una tasa constante de 2m/h, tratando la misma calidad de agua cruda, derivada del río Cauca y con las siguientes características: un Filtro estratificado con la configuración descrita inicialmente y dos filtros con lechos mezclados, donde el filtro mezclado 1 estuvo compuesto por una capa de 0.4 m de grava mezclada en una proporción de una parte de grava fina (6-13mm) y otra de grava mediana (13-19 mm); el filtro mezclado 2 estuvo organizado con un capa de 0.4mm de grava mezclada en una proporción de dos partes de grava fina (6-13 mm) y una parte de grava mediana (13-19 mm). Ambos filtros se complementaron con una capa de 0.2 m de grava gruesa (19-25 mm) en el fondo, como lecho de soporte.  La altura total en grava en cada unidad en estudio fue de 0.6 m.

Durante el estudio se realizaron 4 carreras de filtración, evaluando el comportamiento hidráulico de los 3 filtros mediante pruebas de trazadores al  inicio y al final de cada carrera; igualmente al inicio y al final de la carrera se valoró la eficiencia de remoción de turbiedad y de sólidos suspendidos.  A los datos obtenidos, mediante estadística descriptiva, se les encontró valores promedios y desviación estándar.  Para la eficiencia de remoción de turbiedad y de sólidos suspendidos, se aplico análisis de varianza ANOVA.

Para determinar las características hidráulicas de los filtros se estudiaron diferentes funciones de distribución de edad y se aplicaron los modelos  matemáticos de Wolff & Resnick, análisis de Tendencia de la Curva de Concentración, el modelo de Reactores Virtuales Mezclados en Serie y el Modelo de Flujo Disperso a Pistón.  A partir de éstos, se determinó la fracción de flujo a pistón, la fracción de flujo mezclado y la presencia de espacios muertos y de cortocircuitos en cada una de las unidades.  También se hicieron mediciones de pérdida de carga y de estratigrafía, para conocer la acumulación y la distribución de los lodos en el lecho filtrante.

Con base en los análisis realizados, se encontró que al inicio de la carrera, en los tres filtros, predominó el flujo a pistón con fracciones promedio entre 0.59 (+-) 0.08 y 0.65 (+-) 0.12, mientras al final de la misma predominó el flujo mezclado con fracciones promedio entre 0.58 (+-) 0.07 y 0.67 (+-) 0.25. Esto se debió al aumento de la fracción de espacio muerto la cual se incrementó en promedio entre 0.08 (+-) 0.08 y 0.32 (+-) 0.11. Entre tanto, el cortocircuito pasó de 0.08 (+-) 0.15 a 0.12 (+-) 0.17. El mayor incremento de espacio muerto frente al menor incremento del cortocircuito se puede considerar favorable para la eficiencia de remoción de filtro, puesto que los primeros se forman debido a la acumulación de los lodos retenidos mientras que los segundos no permiten que esta remoción se realice.

Por otro lado, la mayor pérdida de carga en los tres filtros se registró fundamentalmente en los primeros 0.2 m de lecho, aportando en promedio el 87% en el Filtro Estratificado, el 73% en el Filtro Mezclado 1 y el 78% en el Filtro Mezclado 2, de la perdida total de energía. En la acumulación de lodos en el lecho de gravas, los tres filtros retuvieron en promedio en los primeros 0.2 m de lecho filtrante el 81% en el Filtro Estratificado, el 73% en el Filtro Mezclado 1 y el 77% el Filtro Mezclado 2.  Esta acumulación de lodo por lecho, guarda armonía con la áreas superficiales existentes en cada medio filtrante para igual volumen de grava, siendo en los primeros 0.2 m de lecho de 7.0 m2 en el Filtro Estatificado, de 5.2 m2
En el Filtro Mezclado 1 y de 5.8 m2 en el Filtro Mezclado 2. Los resultados obtenidos en pérdida de carga y acumulación de lodos por lecho filtrante, muestran claramente que tanto los filtros de lecho mezclado como el de lecho  estratificado, actúan como filtros de superficie.

Con una velocidad constante promedio de 2 m/h, se encontró que la carrera de filtración del Filtro Mezclado 1 es 21% mayor que la del Filtro Estratificado y 9% mayor que la del filtro mezclado 2. de acuerdo a los resultados derivados de la pérdida de carga y de la acumulación de lodos, se considera que estas diferencias se deben a que el filtro estratificado utiliza únicamente la primera capa de 0.2 m como área principal de filtración, mientras los filtros mezclados, debido a la mayor profundidad de la primera capa, 0.4 m, disponen de un área de filtración mayor.

Con respecto a remoción de turbiedad, el Filtro Estratificado presentó una eficiencia en términos de percentil 90, de 50.6 (+-) 5.2, el filtro mezclado 1, de 51.1 (+-) 3.8 y el filtro mezclado 2, de 54.5 (+-) 2.7; a su vez  la eficiencia de remoción de sólidos suspendidos en el Filtro Estratificado fue de 77.0%, en el filtro mezclado 1 fue de 74.0% y en el filtro mezclado 2 fue de 79.0%, no encontrándose desde el punto de vista estadístico, diferencias significativas entre las eficiencias de remoción de los filtros de lecho mezclado frente al filtro de lecho estratificado.  Aunque la carga superficial es diferente en los tres filtros (5.2 m3/m2/día en el Filtro Estratificado, 7.0m3/m2/día en el Filtro Mezclado 1 y 6.6 m3/m2/día en el Filtro Mezclado 2), la igualdad en la eficiencia de remoción puede atribuirse ya sea a la presencia de un proceso de remoción adicional a la sedimentación en los lechos mezclados como pueden ser mecanismos de adherencia, oxidación bioquímica y actividad bacteriológica o a que, debido a su tamaño, las partículas  suspendidas en el agua cruda no son afectadas por la carga superficial del filtro.

A partir de esta investigación y con base en los resultados obtenidos, se propone el uso del filtro grueso dinámico con lecho mezclado, como una alternativa de pretratamiento de gravas, cuando el agua superficial va a ser tratada por FiME. Se recomienda hacer estudios de operación y mantenimiento.



 
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