Por Gary Battenberg
En la Parte 2 de esta serie, cubrimos los puntos más específicos de la filtración, en cuanto a la clarificación y remediación de sedimentos, remoción de olores y colores del agua para mejorar la estética y potabilidad. Además, se discutió la importancia de obtener las características hidráulicas del caudal de la bomba del pozo a 30 y 40 psi con el fin de dimensionar adecuadamente los filtros de retrolavado automático que no excedan el producto disponible de la bomba.
Ahora vamos a considerar los diversos tipos de medios de filtración comúnmente utilizados en nuestra industria hoy en día, con especial atención a los requisitos hidráulicos y de temperatura para garantizar un rendimiento de filtración consistente y confiable. Terminamos con la eliminación de taninos del agua y comenzaremos allí con las opciones de tratamiento disponibles.
Como se mencionó anteriormente, el tanino es “la mosca en el ungüento” proverbial cuando está presente en un suministro de agua y debe eliminarse al principio del proceso de tratamiento. Los métodos utilizados durante varios años con buen éxito incluyen procesos de oxidación (como la súper cloración o la inyección de peróxido de hidrógeno) que datan de mediados de la década de 1950 y todavía se encuentran entre las opciones más efectivas hasta la fecha, especialmente si el agua está complejada con hierro, manganeso y/o sulfuro de hidrógeno.
La desventaja de esta configuración de tratamiento es el requisito de espacio total, que incluye la bomba dosificadora y el tanque de solución, el tanque de contacto y el filtro de carbón de retrolavado y el suavizante. En los últimos años, el tanque de hipercontacto reemplazó los tanques de contacto tradicionales de 80 o 120 galones (302 o 454 litros) con un volumen de tanque mucho más pequeño de 25 galones (95 litros), lo que hace que la huella sea mucho más pequeña. El tanque de hipercontacto utiliza un colector interno que incorpora un dispositivo de mezcla similar a un mezclador estático (que aumenta la tasa de transferencia de masa de gases y productos químicos al agua de manera rápida y eficiente) en lugar de la inyección de un producto químico o gas en la corriente de agua y luego exponga esa corriente a una gran masa de agua, donde el movimiento lento crea el tiempo de contacto.
Los cuerpos de color de taninos son partículas coloidales microscópicas de alto peso molecular. Las opciones recientes de tratamiento de taninos incluyen la hiperfiltración de membrana, como la ósmosis inversa, la nanofiltración o la ultrafiltración. Debido a que los taninos exhiben un alto peso molecular, la separación por membrana es altamente efectiva para la eliminación de taninos. Más recientemente, la filtración electropositiva ha demostrado una gran afinidad por la eliminación de taninos del agua con buenos resultados. (Los taninos son coloidales y la capacidad de electroadhesión del medio funciona como un imán de partículas. Esto se discutirá más adelante en la Parte 4). La ventaja sobre el tratamiento de tipo membrana es que no hay que lidiar con una corriente de aguas residuales porque funciona como un callejón sin salida o filtro de barrera final.
Selección de medios de filtro
Hay varias opciones y métodos disponibles para la filtración primaria, ya sea para la captura de sedimentos o para problemas más complejos, como la remediación de bacterias y algas. Consideraremos los medios más comunes, incluyendo los metales disímiles, granate, grava, arena, calcita y corosex, arena verde (greensand) de manganeso, medios reactivos de manganeso, birm, Filtro-Ag y carbón activado granular. La importancia de la hidráulica en la filtración de agua no debe subestimarse ni tomarse a la ligera. Las tasas de flujo de servicio de medios recomendadas y los requisitos de elevación hidráulica para el retrolavado deben permanecer dentro de las limitaciones hidráulicas del producto de la bomba del pozo para un rendimiento constante, confiable y a largo plazo y, más que nada, la satisfacción del cliente.
Metales disímiles
|Los más comunes de este tipo de medios son KDF 55, KDF 85 y KDF finos. Estos medios catalizan reacciones de oxidación-reducción, lo que significa que los medios requieren un potencial eléctrico para transferir electrones de un compuesto o elemento (el oxidante) a otro compuesto o elemento (el reductor). El potencial eléctrico es creado por los Sólidos Disueltos Totales (SDTs/conductividad) en el agua. El medio requiere un mínimo de 200 mg/L TDS para crear el potencial de reducción de oxidación (ORP). KDF 55 se usa típicamente para tratar la eliminación de cloro libre y metales pesados.
KDF 85 se usa típicamente para tratar hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno. Este medio puede operar a hasta 15 gm/pie² con suficientes SDTs. Sin embargo, KDF 85 es el más pesado de todos y tiene una alta densidad aparente (peso) de 171 lbs/pie³ y requiere 30 gpm/pie² para retrolavado para asegurar la elevación requerida. Los finos KDF se utilizan normalmente en bloques de carbono y los medios se han introducido en forma de bloque también para sistemas de filtrado. PRECAUCIÓN: No se recomienda el uso de este medio en lugares con alta turbidez y/o fosfato. Se acumulará una alta turbidez y fosfatos en el medio, lo que provoca el cegamiento de la superficie y reduce el ORP o aísla el medio del agua. Los fosfatos también harán que el medio se solidifique en una masa sólida, lo que resulta en una alta caída de presión.
Granate
El granate es el segundo medio más pesado de nuestra lista con un peso promedio de 144 lbs/pie³ y generalmente se usa como sustrato, donde la densidad aparente del medio es de 100 lbs/pie o más. El granate está disponible en tamaños de malla típicos de malla #8, #8-12, #30-40 y #60. El tamaño de malla # 8 más grande se usa normalmente como base para filtros multimedia, de arena y otros filtros de alta densidad aparente. El #30-40 más pequeño suele ser la segunda capa en un filtro multimedia seguido de arena y antracita. El granate de malla #60 más pequeño se utiliza como medio de pulido, lo que produce una reducción de partículas de hasta 2-5 micrones en sistemas diseñados profesionalmente.
Grava
La grava está disponible en varios tamaños efectivos, incluidos 0.5 x 0.25 pulgadas, 0.25 x 0.125 pulgadas y pedernal # 20, y tiene una densidad aparente de 100 lb/pie³. Para filtros residenciales, 0,25 pulgadas X 0,125 pulgadas es la base recomendada para suavizar y filtrar medios más livianos con densidades aparentes inferiores a 100 lbs/pie³. Por lo general, se requiere una profundidad de 3 a 5 pulgadas para garantizar una cobertura completa del colector inferior y eliminar la posibilidad de un efecto de distribución transversal. Esta condición se crea cuando el colector inferior está parcialmente expuesto por un lado y generalmente se debe a que los sistemas se colocan completamente horizontales durante el transporte, lo que permite que el medio se desplace. Cuando el filtro del ablandador se coloca en posición vertical, es posible que la grava no vuelva a su nivel anterior. Por lo tanto, el flujo desigual a través de la resina o el medio filtrante provocará un flujo de servicio acelerado hacia el colector expuesto y un retrolavado desigual, lo que dará como resultado un efluente de calidad mediocre.
Arena
La arena es uno de los medios de filtración más antiguos y, al igual que la grava, tiene una densidad aparente de 100 lbs/pie³. Para filtros de arena de lecho único, se recomienda granate #8-12 como sustrato para evitar la fluidización de la arena. Tenga en cuenta que la base siempre debe ser más pesada cuando el medio filtrante pesa 100 libras o más. Los filtros de arena generalmente brindan claridad al nivel de 10 micras a una tasa de flujo de servicio de 5 gpm/pie². Un ojo humano sano puede ver 40 micrones. Los caudales de retrolavado oscilan entre 10 y 15 gpm/pie, dependiendo de la temperatura del agua y requieren una expansión mínima del lecho del 35 por ciento. Por ejemplo, el agua que está 10⁰F más fría proporcionará una expansión del lecho de aproximadamente un 40 por ciento frente a una expansión del lecho del 35 por ciento durante el retrolavado. Por el contrario, el agua que está 10°F más caliente disminuirá la sustentación del 35 por ciento a aproximadamente el 21 por ciento. NOTA: Para el tratamiento de agua donde la potabilidad es un requisito, asegúrese de que el granate, la grava, la arena y el carbón antracita cumplan con las normas de pureza AWWA B100 para la lixiviación de arsénico.
Calcita y corosex
Estos dos medios son de sacrificio y se disuelven en agua ácida para elevar las condiciones de pH bajo. La calcita es un carbonato de calcio duro (CaCO₃) que se disuelve lentamente para elevar el pH bajo (5-6) a neutral, lo que reduce el potencial de corrosión y lixiviación de cobre, plomo y otros metales de tuberías y accesorios metálicos de sistemas de plomería de servicio. Corosex es óxido de magnesio granular (MgO) y se usa para elevar aguas con un pH extremadamente bajo (4-6) y se disuelve a una velocidad más alta que la calcita. No se recomienda utilizar este medio cuando los valores de pH sean inferiores a 4.0 porque la solidificación puede dejarlo inoperable. Corosex se mezcla comúnmente con calcita para evitar la corrección excesiva del pH.
Las tasas de flujo de servicio para estos medios oscilan entre 3 y 6 gpm/pie², mientras que las tasas de flujo de retrolavado son de 8 a 12 gpm, dependiendo de la temperatura del agua y requieren una expansión mínima del lecho del 35 por ciento. NOTA: Estos medios requieren una reposición periódica debido a sus características de sacrificio. Se agregará dureza adicional al efluente y se debe combinar con la dureza del agua cruda para calcular la dureza total compensada donde se especifica un suavizante de agua.
Arena verde de manganeso y medios reactivos de manganeso
La arena verde (greensand) de manganeso se ha utilizado en el tratamiento del agua desde 1925 para la eliminación de hierro, manganeso, sulfuro de hidrógeno, arsénico y radio. Se regenera con permanganato de potasio (KMnO4) a 0.25 lbs (4 onzas)/pie³ periódicamente. Más recientemente, la arena verde de manganeso original se mejoró con el desarrollo de Manganese Greensand PlusTM. Ambos medios tenían/tienen una densidad aparente de 85 lbs/pie³. La arena verde de manganeso original, ahora obsoleta, tenía un límite de temperatura de 85oF debido al sustrato del núcleo de glauconita, mientras que el producto más nuevo tiene un sustrato de núcleo de arena de sílice y no tiene límite de temperatura. Las tasas de flujo de servicio oscilan entre 2 y 12 gpm/pie² y el requisito de tasa de retrolavado es de 12 gpm/pie2² a 55 °F, con una expansión del lecho de 35 a 50 por ciento. Preste mucha atención a los límites de pH para este medio. El pH no debe ser inferior a 6.2 ni superior a 8.5.
Consejo técnico: Las pruebas de campo para un filtro independiente de hierro y arena verde de manganeso sin suavizante han demostrado que una expansión del lecho del 75 por ciento (donde está disponible un francobordo del 75 por ciento en el tanque de medios) elimina virtualmente los residuos de óxido férrico y de manganeso, que reaccionan con cloro y puede producir un tinte color té en el agua. (En esta aplicación, los tanques de medios tenían 10 pulgadas de diámetro X 60 pulgadas de alto con 1 pie cúbico de medios, lo que proporcionaba un área libre de 35 pulgadas y permitía fácilmente una expansión del lecho del 75 por ciento sin perder medios para drenar durante el retrolavado a 14 gpm Además, los filtros se regeneraron en contra de la corriente para evitar la dilución del permanganato de potasio.) Esto se demostró en una aplicación de piscina donde el agua se trató con arena verde de manganeso y agua efluente dosificada con cloro y no se produjo decoloración.
Los medios reactivos con manganeso funcionan bien para la oxidación de hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno y pueden regenerarse con permanganato de potasio, cloro, ozono o inyección de aire para ayudar a la oxidación. Pueden funcionar como medios catalíticos que solo requieren retrolavado periódico. Estos medios varían en densidad aparente de 120-125 lbs/pie³. Se recomiendan tasas de flujo de servicio de 5 gpm/pie² y tasas de retrolavado de 22-30 gpm/pie² con una expansión del lecho de 15-30 por ciento dependiendo de la temperatura del agua. Los valores de pH deben estar entre 6.5 y 9.
Birm
Birm es un medio liviano con una densidad aparente de 46-50 lbs/pie³. Se utiliza principalmente para la reducción de hierro y manganeso y no requiere productos químicos de regeneración. Sin embargo, el agua a tratar debe tener un pH mínimo superior a 6.8 para el hierro solo, con un pH deseable entre 8.0 y 9.0 para obtener los mejores resultados cuando se combinan hierro y manganeso. Además, se requiere un contenido mínimo de oxígeno disuelto (OD) del 15 por ciento del hierro y el manganeso combinados para garantizar la reacción de oxidación, que convierte el hierro y el manganeso ferrosos (agua clara) en óxidos de hierro férrico y manganeso. Por ejemplo: 1.5 mg/L de hierro + 0.7 mg/L de manganeso equivalen a 2.2 mg/L combinados X 0.15 = 33 mg/L de OD. El sulfuro de hidrógeno y el aceite no deben estar presentes en el agua y el contenido orgánico debe ser inferior a 4 mg/L. Las tasas de flujo de servicio oscilan entre 3.5 y 5 gpm/pie² y las tasas de retrolavado entre 10 y 12 gpm/pie², con una expansión del lecho entre el 35 y el 50 por ciento, según la temperatura del agua.
Filtro-Ag
Filtro-AG es un reemplazo liviano para la arena con una densidad aparente de 24-26 lbs/pie³. Este medio generalmente reduce los sólidos en suspensión hasta un rango de 20 micrones con un flujo de servicio de 5 gpm/pie² y hasta un rango de 40 micrones con un flujo de servicio de 8 gpm/pie. Debido a su peso ligero, también se puede utilizar como tapa de filtro para filtros de carbón activado granular donde los sedimentos ligeros pueden afectar negativamente el rendimiento óptimo del carbón. Permanece estratificado por encima del carbón durante el retrolavado. Se recomienda una profundidad de 5 a 8 pulgadas cuando se aplica como tapa de filtro. Los requisitos de tasa de retrolavado son de 8 a 10 gpm/pie², dependiendo de la temperatura del agua con una expansión del lecho de 20 a 40 por ciento y dependiendo de la temperatura del agua.
Carbón activado granular
El carbón activado granular (CAG) se promociona como el caballo de batalla de la industria de tratamiento de agua debido a su afinidad por el cloro libre, las cloraminas, los sabores y olores, el color y algunos productos químicos orgánicos naturales y sintéticos. NOTA: No todas las sustancias orgánicas se pueden eliminar con CAG). Está disponible en varios tamaños de malla, siendo los más populares 12 X 40 y 8 X 30. Tenga cuidado al diseñar la filtración de carbón activado y preste mucha atención a las tasas de retrolavado. Ambos son buenos para caudales de servicio promedio de 4-6 gpm/pie² cuando se usan para la protección de procesos de tratamiento aguas abajo. Considere los tiempos de contacto de lecho vacío requeridos (EBCT). EBCT es igual al volumen del lecho vacío, dividido por el caudal. Un pie cúbico de carbón activado equivale a 7.48 galones de capacidad (factor de conversión) dividido por el tanque/pie², dividido por el caudal. Por ejemplo, la cloramina requiere 3-4 gpm/pie³. Por lo tanto, 2 pies cúbicos en un tanque de 12 pulgadas (0.78/pie²) de diámetro = 7.48 x 2/0.78/4 gpm = 4.8 minutos EBCT. para reducción orgánica donde las tasas de flujo van desde 0.7 gpm/pie² para sustancias orgánicas tóxicas, 1,0 gpm/pie² para sustancias orgánicas, 6 gpm/pie² para cloramina y hasta 15 gpm/pie² para cloro libre. El carbón tiene muchos usos, pero se recomienda precaución al diseñar un sistema de carbón activado y aquí es donde un análisis completo del agua es invaluable. Las tasas de retrolavado para el carbón activado varían según el tamaño de la malla. Mientras que el carbón activado de malla 8 X 30 requiere una tasa de flujo de retrolavado de 16 gpm/pie² a 55°F, un carbón de malla 12 X 40 requiere solo 9 gpm/pie a 55°F. Cualquiera de los tamaños de malla requiere un mínimo de 35 por ciento de expansión del lecho, hasta un 50 por ciento de expansión, dependiendo de la temperatura del agua.
Siga las reglas
Regla #1 – análisis de agua preciso. Se requiere un análisis de agua preciso y completo para determinar con certeza la capacidad de tratamiento de cualquier fuente de agua problemática. No obtener un análisis del agua es una receta segura para el desastre.
Regla #2 – confirme la hidráulica. Establezca el flujo de agua disponible en 30 psi y 40 psi. Si la diferencia es superior al 25 por ciento, aconseje al posible cliente que evalúe el consumo de amperaje del motor de la bomba del pozo. Si el amperaje es demasiado alto, es posible que sea necesario reemplazar el motor de la bomba. Si la diferencia es inferior al 25 por ciento, una buena regla general es trabajar con el 70 por ciento del flujo disponible a 30 psi. Por ejemplo, si la bomba produce 10 gpm a 30 psi, diseñe su sistema de filtración a 7 gpm. Esto permitirá un mejor rendimiento del sistema porque el sistema no está funcionando a la máxima potencia, lo que disminuirá con el tiempo a medida que el sistema de bombeo envejezca.
EJEMPLO: Un suavizante de 8 pulgadas de diámetro puede proporcionar fácilmente un flujo de 7 gpm con una caída de presión aceptable de 6 a 8 PSID para una aplicación residencial promedio. Esos mismos 7 gpm para la eliminación de sedimentos con Filtro-Ag requerirían un tanque de 16 pulgadas de diámetro. Luego considere que la tasa de retrolavado para ese ablandador es de solo 1.5 gpm mientras que el requerimiento de retrolavado para el Filtro-Ag es de 13 gpm a 55oF. Luego considere que un suavizante de agua puede operar a 20 psi, mientras que un filtro de retrolavado requiere un mínimo de 30 psi para una presión suficiente para levantar y limpiar el medio filtrante. Por último, para que esta aplicación funcione dentro de las limitaciones hidráulicas del sistema de bombeo, considere una configuración de tanque de medios triplex 10 X 47 que retrolava a 5 gpm. El uso de tres tanques permite un retrolavado de agua clara de los gemelos en línea para proporcionar agua limpia para eliminar los sedimentos de los filtros fuera de línea, seguido de un retrolavado secuencial de los otros filtros. El beneficio es una limpieza más rápida de la cama de medios con agua limpia y menos agua para desperdiciar. Por lo general, la misma cantidad de agua utilizada para limpiar un filtro simplex con agua sin tratar limpiará los tres filtros con el mismo volumen de agua limpia.
Regla #3 – Especifique. Diseñe el sistema para un rendimiento óptimo con la configuración más simple para facilitar el servicio y el mantenimiento sin comprometer la confiabilidad a largo plazo y la calidad constante del agua que su cliente espera.
Conclusión
Siempre tenga en cuenta que cualquier sistema de filtración fallará rápidamente por falta de suficiente flujo de agua y presión para levantar y expandir el lecho de medios requerido por el fabricante de medios para una calidad de agua óptima. En la parte final de esta serie, veremos los puntos más específicos de la filtración. Manténganse al tanto.
En la Parte 2 de esta serie, se agregaron gráficos incorrectos que no se relacionaban con el texto. Lamentamos el error.
Acerca del Autor
El Sr. Gary Battenberg es gerente principal de desarrollo comercial de Argonide Corporation. Anteriormente, fue Gerente Técnico del Departamento de Tratamiento de Agua de Dan Wood Company. Antes de eso, el Sr. Battenberg fue especialista en diseño de sistemas y apoyo técnico en Parker Hannifin Corporation. Sus casi cuatro décadas de experiencia en la industria del agua incluyen un historial probado y exitoso en las áreas de ventas, servicio, diseño y fabricación de sistemas de tratamiento de agua. La base tecnológica de Battenberg cubre las tecnologías de filtración mecánica y adsorbente, intercambio iónico, esterilización UV, ósmosis inversa y ozono. Ha trabajado en las áreas de tratamiento de agua doméstica, comercial, industrial, de alta pureza y esterilizada. Como autor colaborador de la revista WC&P International y miembro de su Comité de Revisión Técnica desde 2008, Battenberg fue elegido como una de las 50 personas más influyentes de la revista en la industria del tratamiento de agua en 2009. Puede ser contactado por correo electrónico a gary@argonide.com o por teléfono (407) 488-7203.