Unidad III Semana N11

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UNIDAD III
PROCESOS UNITARIOS Y 
PLANTAS DE TRATAMIENTO
Semana 11
FILTRACION
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Al finalizar la sesión, el estudiante conocerá Diseño de una
PTAP Parte 3 Diseño de desarenadores, sedimentadores,
Filtros lentos. Desinfección mediante la Aplicación de cloro y
/otros
 Principales operaciones unitarias empleadas en Tratamiento de Agua. Filtración
 Factores que influyen en el proceso de filtración.
 Tipos de Filtración.
 Principales operaciones unitarias empleadas en Tratamiento de Agua. Desinfección.
 Conceptos generales
 Tipos de Desinfectantes 
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La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y
coloidales presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de
un medio poroso. En general, la filtración es la operación final de
clarificación que se realiza en una planta de tratamiento de agua y, por
consiguiente, es la responsable principal de la producción de agua de
calidad coincidente con los estándares de potabilidad.
1. INTRODUCCIÓN
3. CINÉTICA DE LA FILTRACIÓN
3.1 Introducción
Sin embargo, los modelos matemáticos resultan útiles para la mejor
comprensión del proceso de filtración. Un gran número de autores ha
desarrollado expresiones matemáticas que establecen relaciones entre
las diferentes variables del proceso.
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Elemento del lecho filtrante
El balance de masas tiene una doble
finalidad en el análisis de la filtración. En
primer lugar, conjuntamente con la
ecuación que describe la remoción de
partículas suspendidas, permite determinar
la distribución de los depósitos en el medio
filtrante en función de la posición y del
tiempo. En segundo lugar, el balance de
masas conduce a una expresión que hace
posible conocer la cantidad de sólidos
removidos por unidad de volumen del
medio filtrante.
Donde:
ΔC = Variación de la concentración de partículas (volumen de partículas
suspendidas por volumen de suspensión).
C1 = Concentración de partículas suspendidas en el afluente (L3/L3).
C2 = Concentración de partículas suspendidas en el efluente (L3/L3).
4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FILTRACIÓN
4.1 Características de la suspensión
De modo general, la eficiencia de remoción de partículas suspendidas en
un medio filtrante está relacionada con las siguientes características de la
suspensión:
a) Tipo de partículas suspendidas;
b) Tamaño de partículas suspendidas;
c) Densidad de partículas suspendidas;
d) Resistencia o dureza de las partículas suspendidas (flóculos);
e) Temperatura del agua por filtrar;
g) Potencial zeta de la suspensión; y
h) pH del afluente.
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4.2 Características del medio filtrante
Entre las características del medio filtrante que influyen en la
filtración, destacan:
a) Tipo del medio filtrante;
b) Características granulométricas del material filtrante;
c) Peso específico del material filtrante; y
d) Espesor de la capa filtrante.
4.3 Características hidráulicas
Las características hidráulicas que influyen en la eficiencia de la
filtración son las siguientes:
a) Tasa de filtración;
b) Carga hidráulica disponible para la filtración;
c) Método de control de los filtros;
d) Calidad del efluente.
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5. TIPOS DE UNIDADES DE FILTRACIÓN
5.1 Clasificación
Clasificación de los filtros rápidos
5.2 Filtración por gravedad
La filtración rápida, realizada por gravedad, usualmente se emplea en las
plantas de tratamiento para fines de abastecimiento público. El factor
económico es la variable que define su preferencia de uso.
5.2.1 Filtración ascendente
La filtración ascendente presenta la ventaja de que el agua afluente escurre en
el sentido en que los granos del medio filtrante disminuyen de tamaño, lo que
hace posible que todo el medio filtrante, constituido por arena, sea efectivo en
la remoción de partículas suspendidas.
Las principales características comunes a estas unidades son las siguientes:
a) Tasa de filtración: 120 a 200 m3/m2/día.
b) Fondo de los filtros: tipo Leopold, tuberías perforadas y placas perforadas
son los más comunes.
c) Distribución de agua a los filtros: caja provista de vertederos, de la cual
parten tuberías individuales o tuberías individuales provistas de medidores y
reguladores de caudal.
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Esquema de un filtro de flujo ascendente y tasa constante
5.2.2 Filtración descendente
Hasta hace pocos años, los filtros descendentes por gravedad eran
diseñados para funcionar únicamente con tasa constante, y
generalmente iban provistos de dispositivos automáticos de control de
caudal y nivel.
5.2.3 Filtración ascendente-descendente
La idea de realizar la filtración ascendente y descendente surgió
después de constatar la posibilidad de fluidificación del medio filtrante al
momento de la filtración ascendente y del consecuente perjuicio de la
calidad del agua filtrada.
Surgieron los filtros denominados Bi-Flow, donde parte del agua cruda
coagulada es introducida en la parte superior, y la restante en la parte
inferior del filtro. La colección se hace por medio de tuberías provistas de
bocas e instaladas en el interior del medio filtrante. La figura 9-32
presenta, en forma esquemática, este tipo de instalación.
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Esquema de un filtro Bi-Flow
5.3 Métodos de control operacional
5.3.1 Tasa constante y nivel variable
Cuando la entrada a los filtros es hecha de modo que el caudal total afluente
sea repartido equitativamente y el nivel de agua en cada filtro varíe
independientemente del nivel de los demás, el caudal de filtración será
constante, ya que el aumento de resistencia del filtro es acompañado por el
aumento de carga hidráulica disponible.
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Arreglo típico de entrada y salida de los filtros de tasa constante y 
nivel variable
5.3.2 Tasa y nivel constantes
En este método de operación el nivel de agua en los filtros de gravedad no
varía mucho. Se puede considerar la carga hidráulica disponible
aproximadamente constante. Manteniéndose constante la resistencia del filtro,
se tiene como resultado un valor aproximadamente constante de la tasa de
filtración.
Filtro de tasa y nivel constante
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5.3.3 Tasa declinante
Otro sistema de operación consiste en aquel donde la carga hidráulica
disponible es íntegramente aplicada desde el inicio hasta el final de la carrera
de filtración, lo que conlleva, con el transcurso del tiempo, una disminución
gradual del caudal filtrado.
5.4 Medios filtrantes
5.4.1 Filtros de lecho simple
En los medios de arena convencionales, la permeabilidad aumenta con la
profundidad del filtro. En estas condiciones, los granos más pequeños quedan
arriba y los más grandes abajo. Esto significa que a medida que el flóculo
penetra dentro del lecho, encuentra poros más y más grandes por donde
puede pasar con más facilidad.
5.4.2 Filtros de lecho múltiple
La solución lógica al problema de los filtros de lecho simple consiste en
conseguir que la permeabilidad del lecho disminuya con la profundidad, de
forma que los flóculos puedan penetrar y encontrar el medio más fino en las
capas inferiores del filtro y el más grueso en las capas superiores.
5.4.3 Filtración a presión
Siempre que las características operacionales y las del medio filtrante y de
la suspensión sean semejantes, la filtración rápida bajo presión poco difiere de
la realizada por gravedad.
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6. FILTRACIÓN DIRECTA
La solución adecuada para tratar aguas superficiales de baja turbiedad y color
es aquella conocida como filtración directa. En general, la unidad de filtración
está precedida por la mezcla rápida y la prefloculación o solamente por la
mezcla rápida.
6.1 Clasificación de la filtración directa
6.2 Ventajas de la filtración directa
a) El costo de construcción de la planta de tratamiento puede disminuir hasta
en 50% con respecto al de una planta convencional.
b) Menorcosto de operación y mantenimiento.
c) Reducción sustancial del consumo de coagulante.
d) Menor volumen de lodo producido en la planta.
e) Facilidad en el tratamiento de agua cruda con baja turbiedad.
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6.3 Desventajas de la filtración directa
a) Dificultad en el tratamiento de agua con alto contenido de color o turbiedad.
b) Necesidad de monitoreo continuo o control riguroso de los principales
parámetros de calidad del agua cruda y tratada.
c) El tiempo de retención total para el tratamiento es relativamente corto, lo
que implica que debe reaccionarse rápidamente ante las modificaciones de
calidad del agua cruda.
d) Posibilidad de paralización temporal de la planta, debido a errores en la
dosificación de coagulante.
DESINFECCIÓN
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1. INTRODUCCIÓN
La desinfección es el último proceso unitario de tratamiento del agua y tiene
como objetivo garantizar la calidad de la misma desde el punto de vista
microbiológico y asegurar que sea inocua para la salud del consumidor.
2. LA DESINFECCIÓN
En términos prácticos, desinfectar el agua significa eliminar de ella los
microorganismos existentes, capaces de producir enfermedades.
En la desinfección se usa un agente físico o químico para destruir los
microorganismos patógenos, que pueden transmitir enfermedades utilizando el
agua como vehículo pasivo.
a) Agente esterilizante: es aquel capaz de destruir completamente todos los
organismos (patógenos o no).
b) Desinfectante: es el agente que inactiva los gérmenes patógenos.
c) Bactericida: agente capaz de inactivar las bacterias.
d) Cisticida: agente que tiene la capacidad de inactivar los quistes.
2.1 Utilidad de la desinfección
El uso de la desinfección como parte de un proceso de tratamiento del agua
puede obedecer a los siguientes objetivos:
a) Reducir el contenido inicial de contaminantes microbiológicos en el agua
cruda (predesinfección). Este proceso se utiliza solo en casos especiales.
b) Desinfectar el agua luego de la filtración. Constituye el uso más importante.
c) Desinfección simple de un agua libre de contaminantes fisicoquímicos que
no requiere otro tratamiento.
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3. TEORÍA DE LA DESINFECCIÓN
Teóricamente, la acción desinfectante de las sustancias químicas se realiza
en dos etapas:
a) La penetración de la pared celular.
b) La reacción con las enzimas, inhibiendo el metabolismo de la glucosa y, por
tanto, provocando la muerte del organismo.
3.1 Factores que influyen en la desinfección
Los factores que influyen en la desinfección del agua son los siguientes:
3.1.1 Los microorganismos presentes y su comportamiento
3.1.2 La naturaleza y concentración del agente desinfectante
3.1.3 La temperatura del agua
3.1.4 La naturaleza y calidad del agua
3.1.5 El pH
3.1.6 El tiempo de contacto
3.2 Variables controlables en la desinfección
Las principales variables controlables en el proceso de desinfección son las
siguientes:
1) La naturaleza y concentración del desinfectante.
2) El grado de agitación al que se somete al agua.
3) El tiempo de contacto entre los microorganismos y el desinfectante.
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Cuadro 10-1. Valores de tiempo de contacto versus dosis de cloro (TD) 
para la destrucción de microorganismos patógenos
3.3 Acción de los desinfectantes
El sistema enzimático de las bacterias interviene en el metabolismo celular.
Se considera que la principal forma de acción de los desinfectantes es la
destrucción o inactivación de las enzimas.
3.4 Cinética de la desinfección: La Ley de Chick
La desinfección del agua no es un proceso instantáneo, ya que se realiza a
una cierta velocidad, la misma que está determinada por tres factores:
a) el tiempo de contacto;
b) la concentración del desinfectante, y
c) la temperatura del agua. Cuando los microorganismos son expuestos bajo
condiciones ideales a la acción de un desinfectante, la tasa de destrucción
sigue la ley de Chick.
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Representación 
gráfica de
la ley de Chick
Esta ley señala que el número de microorganismos destruidos por unidad de
tiempo es proporcional al número de microorganismos remanentes.
Esto se explica de la forma siguiente:
donde:
n = número de microorganismos por litro
t = tiempo en minutos
k = constante de velocidad
4. FORMAS DE DESINFECCIÓN
La desinfección del agua puede producirse mediante agentes físicos y 
químicos.
4.1 Agentes físicos
4.1.1 Sedimentación natural
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4.1.2 Coagulación–floculación–sedimentación
4.1.3 La filtración
4.1.4 El calor
4.1.5 La luz y los rayos ultravioleta
4.2 Agentes químicos
Los más importantes son los siguientes:
a) Los halógenos como el cloro, el bromo y el yodo. El efecto germicida y de
penetración de estos aumenta con su peso atómico. Por ser los de mayor
importancia, se hará mayor referencia a cada uno de ellos en las siguientes
secciones.
b) El ozono (O3).
c) El permanganato de potasio (KMnO4).
d) El agua oxigenada (H2O2) y los iones metálicos.
Figura 
Porcentaje de 
remoción de 
bacterias
en un agua 
coagulada y 
sedimentada
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• El ozono
Es una forma alotrópica del oxígeno, en la cual tres átomos del elemento se
combinan para formar una molécula.
El ozono es inestable y se descompone con cierta facilidad en oxígeno normal
y oxígeno naciente, que es un fuerte oxidante. Debido a esta característica,
actúa con gran eficiencia como desinfectante y se constituye como el más
serio competidor del cloro.
• Los halógenos
La siguiente tabla muestra algunas propiedades de los halógenos:
— El yodo 
Es el halógeno de mayor peso atómico; por su bajo poder de oxidación, resulta 
más estable. Por esta razón, sus residuales se conservan por mucho más 
tiempo que el cloro.
— El bromo
Reacciona con el agua en forma de ácido hipobromoso:
Br2 + H2O HOBr + H
+ + BSi
bien su efectividad es, en algunos aspectos, similar a la del cloro o yodo, su
costo es más alto, por lo que su uso se limita, en términos prácticos, a la
desinfección de aguas de piscinas de natación, ya que posee también
propiedades alguicidas.
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— El cloro
Como es un tema del siguiente capítulo, se citan los compuestos clorados que
tienen propiedades desinfectantes:
• El cloro (Cl2) en forma líquida, envasado en cilindros a presión.
• Hipoclorito de sodio (NaClO) con un contenido de cloro activo de 10% a 15%.
• Hipoclorito de calcio [Ca(OCl)2], también conocido cono HTH (high test
hypochlorite) con 70% de cloro disponible.
• Dióxido de cloro (ClO2) producido en la misma planta de tratamiento de
acuerdo con la siguiente reacción:
5 NaClO2 + 4 HCl 4 ClO2 + 5 NaCl + 2 H2O
• Monocloramina (NH2Cl), formada por la adición de cloro y amonio al agua
que va a ser desinfectada.
5. LA CLORACIÓN
El cloro, oxidante poderoso, es, sin duda alguna, el desinfectante más
importante que existe, debido a que reúne todas las ventajas requeridas,
incluyendo su fácil dosificación y costo conveniente.
Sin embargo, presenta algunas desventajas:
a) Es muy corrosivo.
b) Puede producir sabor desagradable en el agua, incluso en concentraciones
que no significan riesgo para el consumidor.
c) Su manejo y almacenamiento requiere ciertas normas de seguridad, para
evitar riesgos en la salud de los operadores.
El cloro, en condiciones normales de presión y temperatura, es un gas verde,
dos y media veces más pesado que el aire.
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5.1 Características del cloro como desinfectante
a) Destruye los organismos patógenos del agua en condiciones ambientales y
en un tiempo corto.
b) Es de fácil aplicación, manejo sencillo y bajo costo.
c) La determinación de su concentración en el agua es sencilla y de bajo costo.
d) En las dosis utilizadas en la desinfección de las aguas, no constituye riesgo
para el hombre ni para los animales.
e) Deja un efecto residual que protege el agua de una posterior contaminación
en la red de distribución.
5.2 Comportamiento del cloro en el agua
El cloro disuelto en el agua se disociade acuerdo con las siguientes
ecuaciones:
Cl2 + H2O HOCl + H
+ + Cl-
HOCl OCl- + H+
Relación del pH y la temperatura en la producción de HOCl (%)
5.2.1 Reacciones del cloro en el agua
El cloro, al entrar en contacto con el agua, reacciona formando el ácido
hipocloroso (HOCl) y el ácido clorhídrico (HCl) según la siguiente reacción:
Cl2 + 2 H2O HOCl + H
+ + Cl- (1)
Esta es una reacción reversible de hidrólisis que se produce en fracciones
de segundo.
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El ácido hipocloroso se disocia en iones de hidrógeno y iones de hipoclorito
(OCl-):
HOCl H+ + OCl- (2)
El ácido hipocloroso (HOCl) y el ion hipoclorito (OCl-) forman el denominado
cloro activo libre.
Las soluciones de hipoclorito establecen el mismo equilibrio de ionización
en el agua. Por ejemplo:
Ca(OCl)2 + H2O Ca
2+ + 2OCl-
H+ + OCl- HOCl
Las reacciones (1) y (2) dependen del pH del agua.
5.2.2 Reacciones del cloro con el amoniaco
Uno de los componentes frecuentes del agua es el amoniaco. Cuando se
agrega cloro al agua que lo contiene, se producen las siguientes reacciones:
Cl2 + H2O HOCl + H
+ + Cl-
5.2.3 Reacciones del cloro con otros componentes del agua
5.2.4 Resumen de las reacciones del cloro en el agua y su relación con el
proceso de cloración
Tipos de reacción del cloro en el agua
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Formas importantes de cloro en la cloración del agua
5.3 Otros compuestos de cloro
5.3.1 Cal clorada
5.3.2 Hipoclorito de calcio
5.3.3 Hipoclorito de sodio
5.3.4 Dióxido de cloro
5.4 Cálculo de la cantidad de cloro activo de acuerdo con las especies
usadas
Mediante cálculos químicos simples a partir de la ecuación respectiva, es
posible determinar la cantidad de cloro activo en cada caso.
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a) Cloro líquido
Cl2 + H2O → HOCl + HCl
71 g 52,5 g
Es decir, 1 kg de cloro líquido produce 0,739 kg de ácido hipocloroso (HOCl).
b) Hipoclorito de sodio
NaOCl + H2O → HOCl + NaOH
74,5 g 52,5 g
Es decir, 1 kg de NaOCl produce 0,705 kg de HOCl.
c) Hipoclorito de calcio
Ca(OCl)2 + 2 H2O → 2 HOCl + Ca (OH)2
143 g 2 x 52,5 g
Es decir, 1 kg de Ca(OCl)2 produce 0,734 kg de HOCl.
5.5 El gráfico del punto de quiebre
El cálculo de la dosis necesaria para una efectiva cloración se hace mediante
una prueba de laboratorio que consiste en determinar el punto de quiebre.
Curva del punto de quiebre
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5.7 Algunos aspectos toxicológicos de la cloración
5.7.1 Los trihalometanos
5.7.2 Clorofenoles
5.7.3 Cloraminas y sus derivados
5.7.4 Dióxido de cloro
5.8 Estaciones de cloración
Las instalaciones de cloración comprenden los siguientes componentes:
• almacén;
• sala de cloración;
• cámara de contacto.
a) Cloro gaseoso
El cloro gaseoso se obtiene comercialmente envasado a presión en forma
líquida, en cilindros metálicos de diferentes capacidades. El máximo flujo de
gas que se puede extraer de un cilindro depende del tamaño del mismo, como
se indica en el cuadro 10-7.
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Características de los cilindros de cloro
5.8.2 Sala decloración
Cloro gaseoso Normalmente, en sistemas de medianos a pequeños, en este ambiente 
se encuentra todo el sistema de medición y control, y los cilindros en operación
con su respectiva báscula. Figuras 10-13 y 10-14.
Cilindros de cloro gas
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Figura Sala de cloración
Instalación
típica para
sistemas de
poca 
capacidad
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a) Sistema de medición y control
Instalación típica 
para sistemas de 
gran capacidad
Figura. Esquema de un clorador a presión
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Figura. Esquema de un equipo de cloración al vacío
Figura. Dispositivos de 
regulación del flujo
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Abastecimiento de agua
Para alimentar el clorador, el agua debe —dentro de lo posible— tener baja
turbiedad; no debe contener partículas en suspensión y, sobre todo, debe estar
libre de arena. Salvo contados casos, se requiere instalar una bomba que
suministre la presión que necesita el inyector. Dicha bomba debe ser capaz de
producir altas presiones al trabajar con flujos pequeños. Los flujos se calculan
teniendo en cuenta que la concentración de la solución debe ser de 3.500
mg/L. Para esto puede utilizarse el gráfico de la figura 10-19 o la siguiente
expresión:
donde:
Q = flujo del inyector, en L/seg.
C = capacidad del clorador, en kg/día.
Abastecimiento de agua
requerido por los
cloradores de vacío
para mantener la
concentración de 3.500
mg/L de la solución
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Instalación con bomba de turbina y paso directo para regulación de 
presión
GRACIAS POR SU ATENCION