En el proceso de purificación o tratamiento de agua, la filtración primaria es una etapa crítica que garantiza la eficacia y eficiencia de todo el sistema, así como poder evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Sin embargo, en nuestra experiencia de 17 años, hemos visto que no contar con un buen diseño o una buena operación puede derivar en altos costos de operación y mantenimiento, así como en una calidad de agua inadecuada.
En este artículo, nos enfocaremos en los siete errores más comunes en la filtración primaria y cómo prevenirlos para garantizar el buen funcionamiento del sistema de tratamiento de agua
1. Cálculo erróneo de flujo y ciclos de retrolavado del material filtrante
El exceso o la insuficiencia de flujo de retrolavado en los filtros de gravedad o presurizados es un problema recurrente en muchas plantas potabilizadoras.
Cuando se produce un exceso de flujo, el material filtrante puede perderse por las canaletas o distribuidores superiores, lo que resulta en un gasto innecesario de agua y energía en los retrolavados, así como la modificación en la altura de diseño del lecho filtrante. En contraparte, un flujo insuficiente no permite una expansión adecuada del lecho filtrante, lo que conlleva a un lavado deficiente y por ende un mayor volumen total de agua requerido para eliminar todos los sólidos suspendidos acumulados.
Esto puede resultar en una acumulación gradual de sólidos suspendidos, lo que posteriormente genera problemas de arrastre de sólidos y colmatación del medio filtrante.
Este problema también puede ocasionar serios problemas durante la puesta en marcha de los filtros, ya que el no tener el flujo de expansión correcto provoca un tiempo y gasto de agua excesivo en remover todos los finos que vienen añadidos al material filtrante.
Para evitar esta problemática, es fundamental conocer las curvas de expansión de los materiales filtrantes a instalar y calcular correctamente el sistema de bombeo de retrolavado, especialmente si se está considerando un sistema de expansión con aire.
A su vez, si el sistema filtrante se encuentra en zonas con cambios drásticos de temperatura del agua, es necesario la modificación del flujo según la temporada del año, ya que la expansión del lecho depende de esta.
Un buen proveedor de material filtrante debe proporcionar información detallada sobre las curvas de expansión del lecho y la capacidad de retrolavado de sus productos (Figura 1). Sin embargo, no todos los materiales filtrantes tienen la misma capacidad de expansión de lecho, por lo que es importante conocer esta información para calcular correctamente el sistema de bombeo de retrolavado.
Además, se recomienda que la curva de retrolavado del lecho filtrante tenga una pendiente más pronunciada, lo anterior con el fin de disminuir el gasto de agua y energía en cada ciclo.
Mala configuración de sistema de retrolavado o fallas en el mismo sistema de filtración de agua
La mala configuración del ciclo de operación de retrolavado es un error que puede tener graves consecuencias en la operación y mantenimiento de una planta de filtración. En algunas ocasiones, se presentan situaciones en las que el filtro no registra la caída de presión mínima requerida (10 PSI) para iniciar el proceso de retrolavado, lo cual puede ser atribuido a distintas razones, como la baja carga de sólidos en el agua de alimentación o el mal funcionamiento del sistema automático de retrolavado.
Si el filtro no se retrolava adecuadamente y se deja operando durante varios días, la cama del lecho puede compactarse y el flujo de agua puede empezar a formar canales dentro del material filtrante. Esta falta de mantenimiento eventualmente puede llevar a la petrificación de éste , lo que resulta en una menor eficiencia de filtración, un mayor consumo de agua y energía en el retrolavado, o en algunos casos a un cambio inminente del medio filtrante (Figura 2).
Para evitar problemas de compactación y petrificación del material filtrante, es importante asegurarse de que el filtro se retrolave, incluso si no hay una caída de presión establecida. La American Water Works Association establece que el ciclo de retrolavado de los filtros debe realizarse cada 48 horas como máximo para garantizar su correcto funcionamiento.
Sin embargo, nuestra experiencia nos ha permitido comprobar que, en algunos casos utilizando el medio filtrante Zeomedia , se puede extender el ciclo de retrolavado hasta 72 horas sin que se presenten mayores inconvenientes. No obstante, es recomendable llevar un seguimiento riguroso del estado del filtro para detectar cualquier irregularidad y tomar medidas preventivas a tiempo.
2. Alimentación del sistema con una carga de sólidos y contaminantes por encima de su capacidad de manejo
La capacidad de retención de sólidos de un filtro depende de las características físico-químicas del medio filtrante y del tiempo de retención hidráulica en el lecho. Esta capacidad puede variar según el tamaño y la naturaleza de los sólidos, así como la calidad de agua filtrada deseada y la cantidad máxima de sólidos que se deben admitir.
Es importante considerar estos factores al seleccionar el medio filtrante adecuado y garantizar una filtración eficiente. En general, la capacidad de retención de sólidos puede rondar entre un 65% a un 75% para lechos de arena y un 90-95% para materiales filtrantes como Zeomedia con un tiempo de retención de 8 a 10 minutos aproximadamente.
En general, se recomienda no exceder los límites de sólidos en suspensión para mantener la calidad del agua filtrada dentro de las especificaciones requeridas. Para plantas de potabilización, se aconseja no superar los 15 ppm de sólidos en suspensión, mientras que para sistemas de ósmosis inversa, el límite es de 5 ppm. De no ser así, se puede presentar problemas como
- Mala calidad del agua de salida: Si se exceden los límites de sólidos en suspensión, es probable que el agua filtrada no cumpla con los estándares de calidad requeridos. Esto puede ser especialmente crítico en procesos de potabilización o de producción de agua para uso industrial.
- Saturación y colmatación del lecho filtrante: El exceso de sólidos en suspensión puede saturar el medio filtrante y reducir su capacidad de retener partículas dichas partículas. Además, puede ocasionar la obstrucción de los poros del medio filtrante, impidiendo el flujo de agua y disminuyendo la eficiencia del proceso de filtración.
- Incremento de los ciclos de retrolavado: Cuando se exceden los límites de sólidos en suspensión, se incrementa la frecuencia de retrolavados necesarios para mantener la eficiencia del proceso de filtración. Esto implica un mayor consumo de agua y energía, lo que aumenta los costos operativos del sistema.
- Daño a los equipos de filtración: La presencia de sólidos en suspensión puede causar daños en los equipos de filtración, como bombas y válvulas, lo que puede resultar en costosas reparaciones y mantenimiento.
Por lo tanto, es importante monitorear constantemente los niveles de sólidos en suspensión en el agua que se está filtrando y tomar medidas para evitar que excedan los límites recomendados. Esto incluye la implementación de sistemas de sedimentación o clarificación previos al proceso de filtración, así como la selección adecuada del medio filtrante y la optimización de los ciclos de retrolavado.
Mantener la eficiencia del proceso de filtración es fundamental para garantizar la calidad del agua tratada y reducir los costos operativos del sistema.
3. El sistema de difusores internos no está correctamente diseñado o está dañado, lo que resulta en una distribución inadecuada del flujo.
Es frecuente que se presente este problema en filtros de gravedad o de tipo horizontal con un diámetro superior a 72 pulgadas. Esto se debe a que, cuando el sistema de distribución del fluido no está diseñado correctamente, se da un fenómeno de flujos diferenciales y canalización donde una parte del lecho filtrante está procesando más cantidad de fluido que otra provocando una filtración deficiente en todo sentido.
Además, si el sistema de colectores internos está mal diseñado, puede haber un problema conocido como “mal distribución”, donde el flujo de retrolavado no se da de forma homogénea, lo que provoca un lavado deficiente del lecho filtrante.
Este problema también puede presentarse cuando los colectores inferiores (crepinas) del filtro están rotos o dañados, lo que provoca un flujo desigual en el lecho filtrante. A largo plazo, este problema puede provocar una mayor acumulación de sólidos en suspensión en una parte específica del lecho filtrante, arrastres de sólidos en suspensión y una filtración deficiente en general.
Si deseas obtener más información sobre cómo diseñar un sistema de retrolavado adecuado, puedes consultar en (Beverly, R. (2011). Filter Troubleshooting and Design Handbook. American Water Works Association.) o bien puedes consultar el dando click en el blog “Como diseñar un medio filtrante granular“
4. No diseñar un sistema de regulación y equalización de flujo cuando se tienen mas de 4 filtros en paralelo
Cuando se implementa un tren de filtración con más de 4 filtros en serie, es crucial instalar válvulas de regulación de flujo en cada uno de ellos para asegurar una distribución uniforme del flujo de agua en todo el tren. Si no se hace, el flujo de agua tenderá a dirigirse primero hacia los filtros más cercanos a la bomba de alimentación, lo que resultará en un mayor caudal de filtrado en comparación con los filtros más alejados (Figura 6).
Esto puede provocar una calidad de filtrado deficiente y un gasto excesivo de agua en los filtros cercanos a la bomba, mientras que los filtros más alejados estarán subutilizados.
En algunos casos, hemos observado que los filtros más cercanos a la bomba pueden estar filtrando casi el doble que los filtros más alejados.
Para solucionar este problema, al diseñar sistemas de filtros de más de 4 en serie, se deben instalar válvulas de regulación de flujo en cada uno de ellos para asegurar la distribución homogénea del flujo de alimentación en todo el tren de filtración. De esta manera, se puede controlar el caudal de agua en cada filtro y garantizar que la distribución sea uniforme y evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Además, es importante considerar la ubicación física de los filtros y la longitud de las tuberías que conectan cada filtro con la bomba de alimentación. El objetivo es reducir las diferencias de presión y la pérdida de carga en el sistema, logrando una distribución de flujo adecuada.
También es posible utilizar un sistema de distribución de flujo en T o en Y, donde se divide el flujo de alimentación en partes iguales y se dirige a cada filtro de manera uniforme. Esta solución es especialmente útil cuando se requiere una alta capacidad de filtración y se dispone de varios filtros en paralelo.
5. Sobrellenar o poner de menos material filtrante
Uno de los problemas comunes en la instalación de medios filtrantes es la falta de consideración de la altura del lecho filtrante en relación con la altura del filtro.
En el caso de llenar los tanques de medio filtrante por encima de la altura de diseño del filtro, sin dejar un margen de expansión de al menos un 30% (idealmente 50%), se puede provocar la pérdida de material filtrante por los colectores o la acumulación de sólidos en el lecho filtrante, lo que impediría su retro lavado adecuado para evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Estos problemas pueden ocasionar una disminución en la calidad del filtrado y la necesidad de sustitución del medio filtrante antes de lo previsto, lo que implica un costo adicional.
Por otro lado, dejar una altura insuficiente en el lecho filtrante (menos de 70 cm, idealmente 1 m), puede provocar arrastre o fuga de sólidos en suspensión durante la operación del filtro, lo que ocasiona una filtración deficiente. Para evitar estas situaciones, se recomienda dejar un espacio libre entre los colectores superiores y el lecho filtrante de al menos un 50% en relación a la altura total del lecho
En resumen, la altura del lecho filtrante es un factor clave en el diseño y la instalación de medios filtrantes en el tratamiento del agua. Es importante seguir las recomendaciones y las buenas prácticas para evitar problemas en el filtrado y prolongar la vida útil del medio filtrante.
6. No diseñar un pretratamiento adecuado antes del proceso de filtración en sistema de filtración de agua
Diseñar una planta de purificación o tratamiento de agua no es una tarea sencilla, requiere de una base de diseño confiable y suficiente información sobre las características del agua que se va a tratar. Uno de los estudios más importantes es la caracterización del agua, la cual se lleva a cabo mediante una campaña de muestreo y análisis que permite conocer las concentraciones mínimas, máximas y promedio de los diferentes contaminantes presentes en el agua.
Entre los parámetros más importantes para diseñar un sistema de filtración se encuentran la turbidez, los sólidos en suspensión, el tamaño y frecuencia de partícula, la DBO o materia orgánica y la presencia de grasas y aceites. Es fundamental considerar la presencia de estos contaminantes en el agua, ya que pueden provocar diferentes problemas durante el proceso de filtración.
Si existe presencia de materia orgánica en el agua a tratar y no se instala un pre tratamiento de desinfección, se pueden generar problemas de crecimiento biológico en los filtros, lo que puede aportar más contaminantes al efluente en vez de removerlos para poder y evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Además, las grasas y aceites pueden provocar la colmatación y aglomeración del medio filtrante, reduciendo su capacidad de retención de contaminantes, así como evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Por lo tanto, es fundamental contar con información detallada sobre las características del agua a tratar y considerar todos los parámetros mencionados al momento de diseñar un sistema de filtración o una planta de tratamiento de agua. De esta manera, se podrá garantizar un proceso de filtración efectivo y un agua de calidad adecuada para su uso.
Tabla 1 Problemas y solución de los parámetros más significativos para la filtración
| Parámetro | Problema | Parámetro |
| Turbidez | Obstrucción del medio filtrante y filtración deficiente | Instalación de un pretratamiento de sedimentación o coagulación |
| Sólidos en suspensión | Obstrucción del medio filtrante y reducción de eficiencia | Instalación de un pretratamiento de sedimentación o flotación |
| Tamaño y frecuencia de partícula | Selección inadecuada de medio filtrante y filtración deficiente | Selección del medio filtrante adecuado según apertura de poro |
| DBO o materia orgánica | Crecimiento biológico en filtros sin pre tratamiento de desinfección | Instalación de un pretratamiento de cloración u ozonización |
| Grasas y aceites | Colmatación y aglomeración del medio filtrante | Instalación de un pretratamiento de separación de grasas y aceites |
7. No cuenta con material filtrante de la calidad o características adecuadas en sistema de filtración de agua
El medio filtrante es un elemento crucial en cualquier sistema de filtración. Su calidad y características afectan directamente el rendimiento y eficiencia del filtro. Sin embargo, existen problemas comunes que pueden comprometer su funcionamiento y por tanto, la calidad del agua filtrada.
Uno de los problemas más frecuentes es el uso prolongado del material filtrante sin cambio. Esto puede provocar que el grano del medio se vuelva cada vez más pequeño y uniforme, lo que resulta en una mejor retención de sólidos en suspensión, pero también acelera la colmatación del medio filtrante y, por tanto, ciclos de operación más cortos y un excesivo consumo de agua y energía en retrolavados.
Por eso, es importante cambiar el material filtrante al menos cada 5 años y evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Otro problema es la contaminación del material filtrante con metales pesados. Esto puede ocurrir cuando se seleccionan materiales filtrantes de baja calidad que contienen una cantidad de contaminantes y materiales inertes añadidos que liberan durante el retrolavado y la operación del filtro, contaminando el agua y los demás elementos del sistema de filtración.
Para evitar esto, se recomienda usar materiales filtrantes certificados por la norma NSF ANSI 61, que garanticen un porcentaje de solubilidad en ácido no mayor a 5%.
Además, el coeficiente de uniformidad del material filtrante es importante ya que se utiliza para determinar la uniformidad entre el tamaño de las partículas de una muestra.
En el caso de los materiales filtrantes, se recomienda que este coeficiente no sea mayor a 1.6 ya que de lo contrario, el material filtrante se estratifica durante el retrolavado dejando los granos más pequeños en la parte superior, lo cual provoca una disminución significativa en el ciclo de operación para retener las partículas en suspensión, lo que provocará una filtración deficiente.
Por otro lado hay que tomar en cuenta que a mayor tamaño granulométrico del medio filtrante menor será su eficiencia de remoción de sólidos en suspensión, pero podrá dar una mayor carrera de filtración.
Para conocer mejor cómo evaluar la calidad del medio filtrante se recomienda consultar la norma ANSI/AWWA B100-89 de la American Work Association.
–Leonardo Courtade – CEO of Zeomex
Conclusiones sobre los errores en un sistema de filtración de agua
En conclusión, un sistema de filtración granular bien diseñado y correctamente puesto en marcha puede proporcionar una excelente calidad de agua a un costo razonable.
Sin embargo, para lograr un rendimiento óptimo, es importante evitar errores comunes en el diseño y la puesta en marcha del sistema. Es fundamental seleccionar el medio filtrante adecuado y cambiarlo regularmente para evitar la colmatación del sistema y evitar errores en un sistema de filtración de agua.
Además, se debe tomar en cuenta la calidad del agua y las características del agua de alimentación para determinar los tratamientos necesarios.
Es importante evitar el uso de materiales filtrantes de baja calidad que puedan liberar contaminantes al agua. La limpieza y mantenimiento regular del sistema también es crucial para mantener un rendimiento eficiente y prolongar la vida útil del sistema.
En resumen, un diseño cuidadoso y una puesta en marcha adecuada, junto con un mantenimiento regular, son clave para garantizar un rendimiento óptimo de un sistema de filtración granular.
Bibliografia
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- Beverly, R. (2011). Filter Troubleshooting and Design Handbook. American Water Works Association.
- Tchobanoglous, G., Burton, F. L., & Stensel, H. D. (2003). Wastewater engineering: treatment and reuse (4th ed.). McGraw-Hill.
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- Zhong, L., Liu, Y., Li, J., & Zhang, J. (2019). A review on granular media filtration. Water, 11(5), 956.
