Retrolavado de filtros: ¿Cuándo y Cómo?

Por Michael J. MacPhee y William Becker AWWA Coagulation and Filtration Committee

El retrolavado de filtros es una parte necesaria e importante del proceso de filtración. Muchos problemas operativos asociados con el proceso de filtración se pueden remontar a un retrolavado demorado o inadecuado. La producción de agua filtrada de alta calidad y baja turbidez depende de tener medios limpios libres de grietas y bolas de barro. La Norma de Tratamiento Mejorado de Aguas Superficiales de Interim, promulgada el 16 de diciembre de 1998, reduce la turbidez del agua filtrada requerida de 0,5 a 0,3 ntu y requiere la supervisión de los filtros individuamente. El logro de una turbidez de agua filtrada de 0.1 ntu también es un objetivo importante para prepararse para cumplir con el LT1 y el LT2 ESWTR. A medida que la filtración se empuja hacia los límites inferiores de las mediciones de turbidez, se requerirán excelentes operaciones de filtración con las técnicas adecuadas de lavado a contracorriente.

Este artículo, parte de una serie desarrollada por el Comité de Coagulación y Filtración, trata sobre los aspectos básicos del lavado a contracorriente para una operación óptima del filtro. Un artículo futuro discutirá la realización de evaluaciones de medios filtrantes, bolas de lodo (mudball) e identificación de grietas en los lechos o  medios filtrantes, y la realización de una evaluación crítica de su filtro para cumplir con el IESWTR y LT1 y LT2 ESWTR.

La determinación de cuándo retrolavar un filtro generalmente se basa en tres parámetros críticos:

• Duración de la carrera de filtración: una buena práctica operativa dicta que los filtros no se deben dejar en operación durante más de 60 a 72 horas. Los filtros operados por períodos más largos pueden compactarse, lo que da como resultado la formación de grietas y la formación de bolas de barro.

• Desarrollo excesivo de pérdida de carga: el valor máximo de pérdida de carga a través de un filtro depende del diseño del filtro. Una regla empírica típica es retrolavar cuando la pérdida de carga alcanza de 6 pies a 8 pies. Una mayor pérdida de carga puede generar presiones negativas que pueden provocar la liberación de gases disueltos (oxígeno o nitrógeno) del agua a medida que fluye a través del filtro. Se pueden producir daños considerables en los filtros y en el desagüe subterráneo al retrolavar un filtro lleno de aire.

• Turbidez o penetración de partículas: los filtros deben lavarse de nuevo inmediatamente si parece que la turbidez del efluente o el conteo de partículas aumentan. Tenga en cuenta que los contadores de partículas son más sensibles que los turbidímetros y deben utilizarse con turbidímetros si es posible.

Caudal de retrolavado

La importancia del caudal de retrolavado no puede desestimarse. El agua que fluye a una velocidad demasiado alta puede provocar la pérdida del medio filtrante, y un caudal demasiado bajo no limpiará adecuadamente el medio. Para limpiar adecuadamente el lecho filtrante, los granos de los medios se deben agitar juntos violentamente para eliminar el flóculo pegajoso.

Las tasas de retrolavado generalmente se miden en galones de agua que fluyen hacia arriba (sentido contrario) cada minuto a través de un pie cuadrado de área de superficie del filtro, o en la velocidad del  agua en pulgadas cada minuto.

El efecto deseado del retrolavado es la expansión del medio filtrante. La expansión ideal significa que todo el medio se fluidiza (todas las partículas individuales se suspenden) para lograr una reestratificación uniforme de las capas del medio. Literalmente, el objetivo debería ser lograr una expansión del 10 por ciento del lecho filtrante de tamaño d₉₀(el diámetro de los medios d₉₀ corresponde al tamaño del tamiz que retiene el 10 por ciento del medio y pasa el 90 por ciento).

Selección del medio o lecho filtrante

La selección del medio filtrante determina no solo la calidad del agua del efluente del filtro sino también el régimen de retrolavado del filtro; por lo tanto, los requisitos de retrolavado son una parte integral de la decisión del medio a selecionar. Los medios filtrantes con un bajo coeficiente de uniformidad (UC), una medida de la consistencia del tamaño de los granos, permiten un retrolavado más fácil, ya que un UC de 1 significa que todas las partículas del filtro son del mejor tamaño. Cuanto mayor es el TCU (rango de tamaño menos uniforme), mayor es la velocidad de retrolavado necesaria para fluidizar los granos de medios más gruesos. Los medios con coeficientes de uniformidad de menos de 1,3 están ahora disponibles en muchos proveedores de medios.

Para medios dobles o filtros de medios mixtos, los tamaños de varias capas deben seleccionarse para que sean compatibles con cada uno. Por ejemplo, la arena en un filtro de medios doble típico debe tener aproximadamente la misma velocidad de retrolavado requerida para la fluidización que la antracita para garantizar que toda la capa se fluidice a la tasa de retrolavado seleccionada. El tamaño efectivo (ES) de la arena para un filtro de medios duales debe seleccionarse para lograr el objetivo de filtración de grueso a fino, sin causar un entremezclado excesivo. Una relación entremezclada (definida como la d₉₀ de la antracita dividida entre ES de arena) de 4 da como resultado un entremezclado sustancial del medio, mientras que una relación de 2 - 2.5 produce una interfaz nítida. Se recomienda una relación de aproximadamente 3.

Esta recomendación se puede ilustrar con el siguiente ejemplo:

Antracita: 1.00 mm de tamaño efectivo (con un UC menor de 1,4)

Rango de tamaños d₁₀ – d₉₀: 1,00 – 1,75 mm.

Así,

Arena: 0,55 mm de tamaño efectivo (con un UC de 1,5) es un tercio de la antracita o:

d₉₀ antracita/tamaño efectivo de la arena = 3

En este ejemplo: 1,75mm/0,55mm = 3,18

El tamaño del rango óptimo d₁₀ – d₉₀ para la arena debe ser de 0,55 a 1,08 mm.

Una especificación típica medio filtrante proporcionará el ES y el UC de los medios solicitados (junto con la gravedad específica, la dureza, la solubilidad en ácido y otros factores), pero el tamaño de d₉₀ deberá determinarse solicitando o realizando un análisis de tamiz. Si no se dispone de una curva de análisis de tamiz, se puede estimar el tamaño d₉₀ (para antracita y arena) usando la siguiente ecuación:

d₉₀  =  d₁₀ (10^{1.67 log UC})

Los tamaños de d₉₀ en el ejemplo anterior se determinaron usando esta relación. Asegúrese de verificar las especificaciones de medios originales de su planta al reabastecer o reemplazar los medios.

Utilizando la información en la Tabla 1, se puede seleccionar el tiempo de retrolavado requerido para la fluidización adecuada de arena y antracita a diferentes tamaños (es decir, para lograr una expansión del 10 por ciento del tamaño de partícula d₉₀ a 25°C). La velocidad de retrolavado para la antracita más gruesa (1,75 mm) es de 21 gpm/pie² a 25 °C y la de la arena gruesa (1,08 mm) es de 18 gpm/pie². Por lo tanto, estos medios son compatibles.

El factor temperatura

La reducción de la viscosidad del agua a temperaturas más altas requiere una mayor velocidad de retrolavado para lograr el mismo porcentaje de expansión en agua tibia que en el agua fría, que es más densa. Esto se convierte en un factor crítico para establecer la capacidad de la bomba de retrolavado para una planta determinada. La Tabla 2 presenta los factores de corrección aproximados que se utilizarán para variar las tasas de retrolavado requeridas con la temperatura del agua.

Como regla general, las plantas de agua deben ajustar las tasas de retrolavado trimestralmente (o más a menudo si la temperatura del agua cambia rápidamente) para tener en cuenta las condiciones cambiantes de la temperatura del agua. En el ejemplo anterior, la tasa de retrolavado requerida a una temperatura de operación de 15 °C sería de 21 gpm/pie² x 0.83 = 17 gpm/pie². El retrolavado a 21 gpm/pie² a esta temperatura más fría desperdicia agua y podría provocar la pérdida de los medios. Las tasas de retrolavado siempre están controladas por la temperatura más alta que se espera en el agua de retrolavado.

GAC (Carbón activado granulado)

Se requieren algunas precauciones especiales cuando se utiliza carbón activado granulado (GAC) porque sus propiedades son suficientemente diferentes de las de los medios de antracita y arena convencionales. La menor densidad del GAC requiere tasas de retrolavado más bajas para la fluidización. Debido a que las bolas de barro son un problema común en los filtros de GAC, el lavado de la superficie o la limpieza de aire es esencial.

Los mayores UC de los medios GAC típicos dan como resultado un mayor porcentaje de expansión, ya que el GAC completo está fluidizado y permite un mayor potencial de pérdida de medios en las canaletas de retrolavado. Las canaletas de retrolavado pueden necesitar ser elevados si los filtros de medios duales existentes están siendo adaptados al GAC. Si se usa arena con GAC, el tamaño de arena debe seleccionarse para que sea compatible con las características de fluidización del GAC.

Uso de aire

Limpiar los filtros de medios granulares por retrolavado con agua solo es un método de limpieza bastante débil; por lo tanto, al utilizar aire se ha convertido en una adición cada vez más común al proceso de limpieza. El lavado con aire, el proceso de empujar el aire comprimido hacia arriba a través del sistema de desagüe inferior y a través del medio, aumenta las colisiones de partículas y la abrasión entre los granos del filtro. El aire puede ser admitido antes del retrolavado con agua o al mismo tiempo que el retrolavado con agua, finalizando antes del desbordamiento. En cualquier caso, la adición de aire no debería reducir las tasas de lavado de agua requeridas (para lograr una expansión del 10 por ciento del tamaño del medio d₉₀) ya que la expansión y la reestratificación adecuadas del lecho aún son necesarias.

Antes de enjuagar con aire, el nivel de agua del filtro se baja a lo menos 6 pulg. (15 cm) por debajo del nivel de desbordamiento del agua de lavado. Cuando se inicia el barrido de aire, el nivel del agua aumentará debido al volumen ocupado por el aire, pero el nivel debe permanecer por debajo de las canaletas de agua de retrolavado para evitar que el medio filtrante se pierda. El lavado con aire generalmente dura de 2 a 5 minutos. Después que la aplicación de aire termina, el agua que retrolavado lentamente expulsa el aire del lecho antes de que comience el desbordamiento. El lavado a contracorriente con solo agua continúa con la fluidización completa del lecho.

Boquilla para retrolavado con agua y aire.

Fuente: https://www.orthosnozzles.com/catalog/model-k2kr2-filter-nozzles/

Lavado  superficial

Muchas plantas que no tienen capacidad de limpieza con aire integran el lavado superficial como parte rutina durante el retrolavado. Después de que el filtro se drena al nivel del canal de lavado (canaletas de agua de retrolavado) o por debajo, los chorros de lavado superficial se aplican típicamente por 1 a 2 minutos para romper las capas superficiales en la parte superior del lecho. El lavado de la superficie puede continuarse durante la mayor parte del lavado de flujo ascendente, pero debe suspenderse de 2 a 3 minutos antes del final del lavado de flujo ascendente para que el medio se pueda estratificar adecuadamente.

El uso del lavado de superficie ofrece algunas ventajas, principalmente simplicidad y accesibilidad para mantenimiento y reparación debido a que los chorros se encuentran por encima de la superficie del medio. El lavado superficial mejora particularmente la capacidad de limpieza de medios de las plantas de agua que usan polímeros (especialmente polímeros de ayuda de filtración). Las desventajas normalmente se limitan a que las boquillas de los chorros se peguen o se tapen y no funcionen según lo previsto.

Resumen

El retrolavado correcto es crítico en el funcionamiento de un sistema de filtración eficiente. Saber cuándo los filtros deben lavarse a contracorriente y en qué proporción, así como la forma en que el tipo de agua, el tamaño y la temperatura del agua afectan la tasa de retrolavado del filtro aumentará la eficiencia y disminuirá los problemas operacionales.

Michael J. MacPhee, PhD, is process manager for Environmental Engineering & Technology, Inc., in Newport News, Va. He can be reached at (757) 873-1534 or mmacphee@eetinc.com. William C. Becker, PhD, PE, is director of water process technology and research for O’Brien & Gere Engineers in Landover, Md. He can be reached at (301) 731-1176.

Traducido por: José Pastor Torín.

Este artículo es de la revista Opflow del año 1999: