Evaluación y predicción de la expansión del medio granular durante el retrolavado en filtros rápidos - Vásquez-Aburto, María Fernanda (Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2019)
Al finalizar la etapa de filtración, se realiza la limpieza del medio granular a través del retrolavado. Debido a la fluidización de las partículas durante el retrolavado, se produce un aumento en la altura del medio granular que se expresa como un porcentaje de expansión. Conocer la expansión que al-canza el medio es esencial en la efectividad del retrolavado, ya que se asegura que la expansión inadecuada del filtro es una de las causas más frecuentes de los problemas relacionados con la calidad del agua. Actualmente, una de las herramientas que se utilizan para predecir el porcentaje de expan-sión consiste en las curvas teóricas de las fichas técnicas de los medios filtrantes, las cuales se diseñan a partir de ensayos experimentales, por tanto, surge la necesidad de verificar si representan adecua-damente el comportamiento del medio en plantas de tratamiento. Además, se han diseñado una serie de modelos matemáticos; sin embargo, la resolución de estas ecuaciones representa cierto grado de complejidad, lo que dificulta su uso a nivel operacional. En esta investigación se buscó proveer un estudio sistemático para evaluar y comprender las variables que influyen en la expansión del medio filtrante y proponer una herramienta alternativa de predicción debido a las dificultades que presentan las herramientas actuales. Se caracterizaron experimentalmente los medios filtrantes en estudio, los cuales corresponden a arena sílica, antracita, AG, piedra pómez, resinas de intercambio iónico y Tur-bidexTM, y se analizó la influencia de cada característica sobre la expansión del medio granular, se evaluó la influencia del diámetro de la columna sobre la expansión del medio filtrante, se construyó un modelo predictivo de expansión mediante análisis de regresión, en donde se analizaron los pará-metros y supuestos estadísticos para analizar la calidad estadística, y se comparó la respuesta de pre-dicción del modelo con: datos de expansión experimentales de medios de TurbidexTM, Ag y resinas de intercambio iónico, la respuesta de tres modelos teóricos de expansión y la respuesta de tres curvas teóricas de expansión. Se observó que la porosidad para medios que registren valores mayores a 60%, se determina de manera precisa mediante un ensayo de trazadores. Se determinó que al mantener relaciones de diámetro columna – diámetro partícula mayores a 25, la influencia del diámetro de la columna sobre la expansión del medio granular no es significativa. Se observó que el aumento de 100 kg/m3 en la densidad de la partícula, provocó en promedio una disminución en la expansión de 3%. Además, se presenció una disminución en el porcentaje de expansión de 8 a 11% conforme se au-mentó en 0.3 mm el diámetro geométrico de la arena sílica. No se cuantifica el efecto de la tempera-tura sobre la expansión del medio filtrante, debido a que en el rango de trabajo (20-24 °C) no se evidenciaron cambios en la expansión. El modelo de regresión explica la variación en la expansión del medio filtrante y existe una asociación estadísticamente significativa entre las variables predicto-ras y la expansión, se afirma con un 95% de confianza. El modelo de regresión presentó porcentajes de error en la predicción de la expansión menores a 15% para los medios filtrantes de arena sílica, antracita, piedra pómez y TurbidexTM, para las resinas de intercambio iónico el error resulta en 62% y para el medio granular de Ag el error es de 94%. Se evidenció un problema en la predicción del modelo de regresión cuando el medio granular presenta un coeficiente de uniformidad mayor a 1.6 y se compone por partículas esféricas. Con respecto a los modelos teóricos evaluados, en ninguno de los casos se obtuvo un porcentaje de error de predicción menor a 15%. Finalmente, con respecto a las curvas teóricas, -en el caso de la antracita las expansiones experimentales (20-24 °C) se encontraron entre las curvas de expansión teóricas de 16 y 27 °C, para las resinas de intercambio iónico, las ex-pansiones experimentales (20-23°C) se encontraron entre las curvas de expansión teóricas de 15.56 y 26.67 °C y para el caso del medio de Ag (20-23°C) superaban desde 10 hasta 20% las expansiones teóricas a 16 y 27 °C. Se requiere mayor velocidad de retrolavado para expandir medios más densos y de mayor tamaño. Es posible predecir el porcentaje de expansión del medio granular durante el retrolavado mediante el modelo de regresión múltiple construido en esta investigación, si el medio filtrante presenta características dentro del rango de diseño.

At the end of the filtration stage, the granular media cleaning is carried out through the backwash. Due to particle fluidization during backwash, there is an increase in the height of the granular media that is expressed as an expansion percentage. Knowing the expansion reached by the granular media is essential in the effectiveness of backwashing, because it has been shown that improper expansion of the filter is one of the most frequent causes of problems related to water quality. Currently, the theoretical expansion curves of the technical data sheets are used to predict the expansion, which are designed from experimental tests, therefore, there is a need to verify whether they adequately repre-sent the behavior of the medium in the treatment systems. On the other hand, a series of mathematical models have been designed; however, the resolution of these equations represents a certain degree of complexity, so they are difficult to use at the operational level. Therefore, this research is looking for provide a systematic study to evaluate and understand the variables that influence in the granular media expansion and propose an alternative prediction tool due to the difficulties presented by the current tools. The filter media under study were experimentally characterized and the influence of each characteristic on the expansion of the granular medium was analyzed, the influence of the diam-eter of the column on the expansion of the filter medium was evaluated, a predictive model of expan-sion was constructed by regression analysis, where the statistical parameters and assumptions were analyzed to evaluate the statistical quality, and the prediction response of the model is compared with: experimental expansion data of TurbidexTM granular media, Ag and ion exchange resins, the response of three theoretical expansion models and the response of three theoretical expansion curves. It was determined that the porosity for granular media that records values greater than 60%, is determined precisely by a tracer test. It was determined that by keeping the column diameter – particle diameter ratio greater than 25, the influence of the column diameter over the media granular expansion isn’t significant, with 95% confidence. It was observed that the increase of 100 kg/m3 in the particle den-sity, caused on average a decrease in the expansion of 3%. In addition, there was noticed a decrease in the expansion of 8 to 11% as the geometric diameter of the silica sand was increased by 0.3 mm. It wasn’t possible to quantify the effect of temperature on the granular media expansion, because in the working range (20-24 ° C) there were no changes. The regression model explains the variation in the expansion of the filter medium and there is a statistically significant association between the pre-dictive variables and the expansion of the filter medium, it is stated with 95% confidence. The regres-sion model produces percentages errors in the expansion prediction less than 15% for the filtering media of silica sand, anthracite, pumice and TurbidexTM, for the ion exchange resins the error results in 62% and 94% of error for the granular media of Ag. There was a problem in the prediction of the regression model when the granular media presents a uniformity coefficient greater than 1.6 and is composed of spherical particles. With respect to the theoretical models evaluated, in none of the cases a percentage of prediction error less than 15% was obtained. Finally, with respect to the theoretical curves, in the case of anthracite the experimental expansions (20-24 ° C) were found between the theoretical expansion curves of 16 and 27 ° C. In the case of ion exchange resins, experimental ex-pansions (20-23 ° C) were found between the theoretical expansion curves of 15.56 and 26.67 ° C. On the other hand, the experimental expansions of the Ag filter (20-23 ° C) exceeded from 10 to 20% the theoretical expansions at 16 and 27 ° C.
Proyecto Final de Graduación (Licenciatura en Ingeniería Ambiental) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Química, 2019.
Keywords: Producción lineal; Filtración; Ensayos; Plantas de tratamiento; Herramientas; Research Subject Categories::NATURAL SCIENCES::Chemistry::Analytical chemistry; Expansion; Filtration; Linear production