2.3 Diseño del Filtro Anaerobio de Flujo
Ascendente (FAFA).
Luego de ser removido los sólidos presentes en el agua por medio del
tanque interceptor estas son tratadas en los FAFA S para disminuir la materia
orgánica disuelta.
2.3.1 Funcionamiento de los FAFAS
El filtro anaerobio produce poco lodo, tiene un nulo
insumo de energía, no requiere de complicados sistemas mecánicos y su
operación es muy sencilla.
La base de este trabajo parte de las experiencias
desarrolladas por investigadores de Brasil, Colombia y Tailandia, cuyos documentos de apoyo
se mencionan en la sección de referencias bibliográficas y se apoyan también en
las diferentes experiencias de campo y experimentales ya realizadas en Costa Rica.
La dinámica de un filtro de flujo ascendente parte de
aprovechar el acomodo de los materiales de acuerdo a sus propias densidades.
Esto es, dirigir el flujo del agua con carga orgánica a
través de los materiales de mayor tamaño primero y concluir ese paso en los
materiales de menor tamaño. Así, las ventajas son mayores, las partículas
contenidas en el agua se irán quedando en un espacio
donde han tenido mejores posibilidades de viajar y donde la capacidad del medio para dejarlas
acumuladas es mayor. El proceso de filtrado de esta forma 'rinde'
más, porque en el caso contrario donde se viaja del más fino al más grueso el
proceso se 'atasca' más rápido.
El agua entra por abajo y se recoge por encima. Las
piedras o medios filtrantes son soportados por un
'piso' o base falsa.
Adicionalmente, al aplicar bajas velocidades se desarrollan tipos específicos
de bacterias en la superficie del medio filtrante. Estas
bacterias “capturan” materia orgánica del
agua que por ahí pasa y lautilizan como
su alimentación. Este proceso bacteriano reduce la composición de la materia a
los elementos básicos, produciendo con ello una muy reducida cantidad de
sustancias sólidas y algunos gases.
2.3.2 Parámetros de los FAFA.
Según los estudios anteriormente citados, los procesos que se llevan a cabo en
un filtro anaerobio de flujo ascendente, en regiones de clima cálido, dan
razones de remoción válidas, en promedio equivalentes a:
DBO 5,20 = 70%
SS = 80%
Teniendo para nuestro caso que las aguas residuales tienen un tratamiento
previo en los tanques sépticos existentes a los cuales se les estima una
eficiencia en remoción tanto de la carga orgánica como de los sólidos
suspendidos del 50% tendremos que:
Estimación de la calidad de los efluentes del filtro valores de:
Remoción de la carga orgánica.
DBO 5 a la salida del tanque Interceptor = 300 - (300 * 0,50)
= 150
DBO 5,20 a la salida del FAFA = 150 - (150 * 0,70) = 45
Remoción de los sólidos suspendidos.
SS a la salida del
tanque séptico = 300 - (300 * 0 ) = 150
SS a la salida del FAFA = 150 -(150*80)= 30
2.3.3 Características del material de soporte o medio filtrante a utilizar.
Medio Filtrante o de Soporte
TAMAÑO NOMINAL
% por peso que pasan los diferentes tamices (mm)
(tamices c/abert. cuadradas)
37,5
25
19
12,5
9,5
4,75
2,4
4 tilla
19,0 4,75 mm
100
90-100
20-55
0-10
0-5
4a
25 ,0 a 4,75 mm
100
90-100
25-60
0-10
0-5
Tabla 2.1 Algunas características del medio filtrante
Propiedad
Símbolo
Material A
Material B
cuartilla
cuarta
Pesovolumétrico
y
1446 kg/m3
1461 kg/m3
Densidad aparente
Gpss
2,55
2,68
Relación de huecos
p
0,43
0,45
Tamaño máximo
dm
19,00 mm
25,00 mm
Tamaño mínimo
dmm
4,75 mm
4,75 mm
Tamaño promedio
dp
12,00 mm
15,00 mm
Superficie especifica
S
285 m2/m3
220 m2/m3
Tabla 2.2 Algunas propiedades del medio filtrante
2.3.4 Caudal de agua llegando a cada filtro
El FAFA trata la totalidad del agua de salida del tanque interceptor. Asi el
flujo de entrada al FAFA es de
Q total =41,00
Q FAFA = 41.00
2.3.5 Características básicas de la unidad propuesta
Tiempo de retención hidráulica:
TRH = 16 hr
Volumen requerido para cada FAFA:
V =
Cama de filtrado:
Estos valores se definen de forma tal que la cama de filtrado estará compuesta
por dos materiales de diferente granulometría.
Material A, capa superior = piedra cuartilla
espesor hA = 0,40 m
Material B, capa inferior = piedra cuarta
espesor hB = 0,80 m
(Con ello se satisface que el espesor del lecho filtrante, en un filtro
anaerobio de flujo ascendente, no sea menor a 1,20 m)
Las otras dimensiones verticales se definen de la siguiente manera:
Espesor de capa de agua sobre lecho de filtrado: r = 0,30 m
espesor de capa de piedra bola k = 0.30 m
Espacio inferior para entrada del agua: p = 0,30 m
Peralte de viguetas de entrepiso: v = 0,20 m
Altura columna de agua: h = 2.30 m
2.3.6 Determinación del área de filtrado requerida.
Se hace el análisis considerando tres etapas: aquella definida por los espacios
vacíos del medio
filtrante (ruta del flujo), el líquido libre
antes y después del medio filtrante y el
volumen de liquidodefinido por las aberturas del piso falso que soporta al medio filtrante.
(Donde S es el área de filtrado)
Medio filtrante
A
B
Volumen del estrato m3
0 S
0.8 S
Volumen de agua m3
(0,40 S) *0,43 =0,172 S
(0.8 S) *0,45 = 0,36 S
Vmf = 0,172 S + 0,36 S
Vmf = 0.532 S
Agua libre.
Volumen de agua: Val = (0 +0,1) *S = 0.300 S
Val = 0.300 S
Agua por el piso.
Volumen del piso: Vp =S*0,15 = 0,15 S
Volumen aberturas: Va = (0,15 S)*0,25 = 0.038 S
Volumen total de agua a filtrar
Vmf
0,532 S
Val
0,300 S
Va
0,038 S
Total
0.87 S
V total= 0.87S = (volumen requerido)
Por lo tanto el área de filtrado es:
S = 10,44m2
2.3.7 Características geométricas del área de filtrado
Se fija las siguientes longitudes:
Ancho a = 2.9 m
Largo l = 2,9m
Espesor del medio de soporte h = 1.5 m
Por lo tanto:
S = 2.9 * 2,9 = 8,41 m2
V = 1.5 * 8,41 = 12,6 m3 > 12,0 m3
Lo anterior cumple con los requerimientos de volumen.
2.3.8 Resumen de la información geométrica y básica de los filtros que se
proponen.
Información Geométrica del FAFA
Dimensiones Internas
Ancho
3,0 m
Largo
3,0 m
Alto
2.9 m
Área de Filtrado
9,0 m2
Medio Filtrante
Cuartilla
0.4 m
Cuarta
0.8 m
Volumen con líquido
26,1 m3
Caudal aplicado
Velocidad de filtrado
4,55
0.1898
5,3x10-6
Calidad del agua ingresando
DBO
150
Calidad del agua saliendo
DBO
45
Tabla 2.3 Características geométricas de los FAFA.
2.3.9 Resistencia al flujo del material
filtrante.
Utilizando la siguiente ecuación se analiza la resistencia máxima al flujo del medio filtrante. Este valor se compara
con la disponibilidad de cargahidráulica del sistema propuesto para definir
su funcionalidad.
Hm =
Ec. 2.2
Así, para cada uno de los estratos:
HmA = 0,446 (0,57) 0,40 = 0.102m
HmB = 0,461 (0,55) 0.80 = 0.203m
Total = 0.305 m ï‚£ 0,60 m
2.3.10 Análisis de la dinámica de filtración
Para ello se utilizan las ecuaciones propuestas por Huisman dentro de la teoría
matemática de la filtración:
Ec. 2.3
Donde:
ït Es relación del efecto dado por la acumulación de impurezas dentro del
medio filtrante;
v Es la velocidad de filtración, m/seg;
Co Es la concentración inicial de materia en el agua, kglm3;
Es el coeficiente de filtración
con valores iniciales ï¬o = 6 para arenas y ï¬= 1 para gravas de 25 mm, en
este ejercicio; es una variable que está en función de todas las
características del filtro y en función del tiempo.
n Es un valor de proporcionalidad < 1 que relaciona
el coeficiente de filtración del
lecho de filtrado conforme este se atasca; (=0,75)
ρd Es la densidad de las impurezas en el filtro, kg/m3
Po Es la relación de huecos.
Ec. 2.4
Donde
C0 Es la concentración inicial de materia en el agua, g/m3
C Es la concentración de materia en el efluente, g/m3
H = loL
Ec 2.5
Donde:
H Es la pérdida de carga en el filtro, o resistencia del filtro, m
lo Es la caída (pendiente) del nivel piezométrico en el filtro; muestra
el incremento de la resistencia del filtro debido a la deposición de
impurezas.
L Es la altura del
lecho de filtrado, m.
lo se calcula utilizando la ecuación de Carman-Kozeny
. lo = 6,46 *10-6
α se calcula con la ecuación anterior α = 6,58 *10-8 sec- 1Uniendo
toda la información y colocando la misma en las ecuaciones será posible
encontrar la pérdida de carga que va sufriendo el filtro a través del tiempo y
a la vez el deterioro de la calidad del efluente.
De esta forma los resultados del análisis se presentan en la
siguiente tabla.
Valores de las variables de filtración
Tiempo (t)
0 días
1 día
90 días
180 días
360 días
Ce(g/m3)
13,39
13,39
13,45
13,51
13,64
H (m)
9.69*10-6
9.69*10-6
9.69*10-6
9.69*10-6
9.69*10-6
Tabla 2.4 Dinámica de filtración de los FAFA
Encontrándose que a la vuelta de un año, la pérdida de carga no es significativa
y que la calidad del efluente se mantiene y aún no se afecta. Se puede concluir
que el TRH es muy largo y que esta unidad podría trabajar ante cargas mayores.
Figura 2.1 Diagrama de los FAFA
REACTOR BIOLÓGICO con difusores de aire
DBO influente
45
flujo promedio
0,758333333
l/s
CARGA ORGANICA (F/M)
0,10
1/dia
MLSS
2000
mg/Lt
MLVSS
1800
mg/Lt
RECIRCULACION
0
%
FLUJO INFLUENTE
0,76
lps
12,02
gpm
DBO INFLUENTE DILUIDA
45
mg/L
DBO EFLUENTE
25
mg/L
PARED DE AGUA (SWD)
1,75
m
69
CARGA A REMOVER
1,31
Kg DBO5/dia
TIEMPO DE RETENCION
0,11
dia
2,7
Hr
VOLUMEN UTIL
7,3
m3
ALTURA TOTAL
2,3
m
cantidad de tanques de aereacion
1,0
AREA de cada tanque
4,2
m2
45
ft2
DIAMETRO de cada tanque
2,3
m
OXIGENO REQUERIDO POR PROCESO
1,50
Kg O2/Kg DBO5
OXIGENO REQUERIDO
1,97
Kg O2/dia
OXIGENO REQUERIDO
0,08
Kg O2/hora
OXIGENO REQUERIDO
0,08
Kg O2/Hr
