Filtros de prensa para el secado mecánico de fangos procedentes de aguas residuales

5 de abril de 2024 (Lectura 11 mins)
Jordi Fabregas

1. Introducción al secado de fangos

Un objetivo común en la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales es reducir al máximo el volumen de los fangos generados, tanto en los tratamientos primarios como en los secundarios.

Existen varias tecnologías para deshidratar estos fangos, resultando los más económicos los sistemas mecánicos, entre los que destacan: los decanters centrífugos, los filtros de banda, las prensas de tornillo y los filtros prensa, siendo estos últimos los que pueden conseguir mayores grados de deshidratación, además de tener menor coste energético y de reactivos.

Proceso secado% sequedad fangoConsumo energíaConsumo de reactivos
Decanter centrífugo18 – 23Muy altoMuy alto
Filtro banda18 – 22BajoMuy alto
Prensa tornillo22 – 26BajoMuy alto
Filtro prensa25 – 50Muy bajoBajo

El sistema de filtro prensa es el que consigue mayor sequedad en los fangos, pero, a diferencia de los otros sistemas, tiene funcionamiento discontinuo.

Los filtros de prensa tienen diversas aplicaciones en el campo industrial, y en muchos casos, el fango deshidratado que se obtiene puede ser comercializado, como sucede en los siguientes casos:

  • Industrías cerámicas: Se utiliza en la industria de las cerámicas para mejorar las calidades de las porcelanas, la grey, los mármoles, los cuarzos y los pigmentos.          
  • Industrias mineras: En minería se emplea el filtro prensa para deshidratar los lodos de carbón y otros minerales, de tal modo que se obtienen sólidos secos y de apreciable pureza. Se utiliza como parte del proceso de la extracción de metales, tales como hierro, plomo, cobre, zinc, oro, etc.
  • Industrias alimentarias: En este tipo de industrias, se utiliza para purificar y mejorar la calidad de los siropes, almíbares, cervezas, vinos, levaduras y azúcares, entre otros productos.
  • Farmacia: En la industria farmacéutica es habitual el uso del filtro prensa para separar líquidos, siendo el suero sanguíneo el más importante de todos, pues sirve como materia  prima para la síntesis de diversos medicamentos.
  • Química: En la industria química este tipo de filtros se utilizan para concentrar productos y separar residuos.

En el presente artículo nos centraremos en empleo de los filtros prensa para el tratamiento de los fangos producidos en plantas depuradoras de aguas residuales.

2. ¿Qué es un filtro prensa?

Un filtro prensa es una máquina montada sobre una estructura soporte que alberga un conjunto de cámaras con telas filtrantes en su interior. Los lodos son bombeados mediante una bomba, que habitualmente es de tipo neumático, para evitar problemas de funcionamiento derivados de la importante cantidad de sólidos presentes en el líquido a filtrar.

Un filtro prensa se compone de:

Marcado o armazón del filtro de prensa

Es la estructura que conforma y soporta a todo el conjunto del filtro prensa.

Cámara del filtro

Las cámaras, que tienen forma cóncava y están contrapuestas, son los espacios comprendidos entre las placas filtrantes. Actúan como un molde para los fangos que se van formado en su interior. El conjunto de placas se mantiene cerrado y estanco a altas presiones debido a la acción de un grupo electrohidráulico que utiliza un pistón central para presionar el paquete de cámaras.

Las placas pueden ser de diversas dimensiones. Las más habituales van desde 80 x 80 cm, hasta 250 x 250 cm. Los materiales constructivos suelen ser de tipo plástico, como es el caso del polipropileno.

Los filtros de prensa acostumbran a operar a presiones del orden de los 6 bar, pero también existen equipos de alta presión de hasta 16 bar, e incluso superiores, cuyo objetivo es conseguir la mayor deshidratación posible. El número de cámaras depende de volumen de fango a obtener en cada secada y suele situarse entre 12 y 50.

Para calcular el número de cámaras necesarias, basta con dividir la cantidad de lodo a deshidratar entre el volumen de una cámara, teniendo en cuenta la densidad del fango y la concentración que se puede conseguir con el filtro. Este valor de concentración se obtiene en ensayos de laboratorio y depende de cada tipo de fango.

Telas o medios filtrantes

Son tejidos normalmente construidos en materiales plásticos, (PP. Poliester , poliamida, etc.). Estos tejidos son permeables al paso del líquido y actúan como filtros reteniendo los sólidos suspendidos.

La concentración del fango aumenta con el aumento de la presión, hasta el límite de diseño que se obtiene en laboratorio.

Colectores

Un colector es una parte del sistema de filtración que se utiliza para separar sólidos de líquidos en el proceso de filtración. En el contexto de un filtro de prensa, el colector puede referirse específicamente al sistema o componentes que recogen el filtrado (el líquido que ha pasado a través del medio filtrante) después de que la suspensión (la mezcla de sólido y líquido) ha sido presionada a través de las placas del filtro.

3. Dimensionado de un filtro prensa para el secado de fangos

Desarrollamos un ejemplo con los siguientes datos:

  • Caudal entrada fangos = 1,25 m3/h. – MS fangos entrada = 3%
  • Densidad de fangos: 1,1 Kg/l. – Horas de producción de fangos: 8 h/día

Calculamos la cantidad de MS y de líquido, a partir del caudal diario de vertidos:

  • Q = 1,25 m3/h x 8 h/d = 10 m3/d => 10 x 1,1 = 11.000 kg/d.  de lodos.
  • El contenido en sólidos de estos lodos es del 3%.
  • MS = 11000 Kg/día x 3% = 330 Kg/día de lodos.
  • Mientras que el resto es fracción líquida = 11.000 – 330 = 10.670 kg/d de líquido a drenar.
  • Si las tortas de fango alcanzan una sequedad del 30 % => Producción de fango diaria = 330/0,3 = 1100 Kg/día de fango deshidratado por el filtro prensa.
  • De los que SS = 330 Kg/día y líquido drenado = 10670 Kg/día.

En resumen, el u de fango generado de torta se obtiene de la siguiente manera:

  • Si la torta de fango tiene una densidad d = 1,4 Kg/l, el volumen de la torta generada de fango del 30 % será = 1100 Kg/día / 1,4 Kg/l = 785,7 litros/día.
  • El filtro prensa debe eliminar un volumen de torta igual a 785,7 litros en un día.

Supongamos que el sistema de filtración funciona 8 h/día y que un proceso de filtración (incluyendo llenado, filtrado, apertura y opciones varias) dura 4 h. Con estas condiciones serán necesarias 2 operaciones de filtrado para deshidratar el fango producido en un día, y cada secada producirá = 785,7/2 = 392,9 litros de fango al 30 % de sequedad.

Volumen del filtro prensa = 785,7 litros/2 = 392,85 litros.

Para determinar el número de placas necesarias, partimos de:

  • Tamaño de placas considerado = 1000 x 1000 x 25 mm
  • Volumen por placa = 19,7 l.  Superficie por placa = 153,1 dm2

El número de placas para realizar cada secada es = 393 litros / 19,7= 19,9, es decir, 20 cámaras. Como el número de placas filtrantes es n+1 cámaras => 20 + 1 =21 placas filtrantes. Y la superficie filtrante del filtro prensa será = 20 x 1,53 m = 30,3 m2

4. Funcionamiento de un filtro de prensa

La corriente líquida de fango accede a las cámaras a través de un colector del que deriva una alimentación a cada cámara. Estos fangos son impulsados hacia las cámaras por una bomba neumática.

El agua drenada se recoge por el lado opuesto una vez que ha sido filtrada. De esta forma, las telas filtrantes y el propio lodo que se va acumulando facilitan el incremento de presión, el aumento de concentración y la formación de las tortas de fango. 

El fango de aporte debe llenar con rapidez las cámaras filtrantes a fin de formar tortas uniformes (tiempo aprox. 5 – 6 minutos). Por este motivo, es habitual disponer de bombas de baja presión de apoyo.

Dependiendo del tipo de sólido a separar, se dosifica un floculante específico, o lechada de cal, en un depósito de lodos previo. En algunas ocasiones también se aportan previamente reactivos coagulantes, como es el caso del Fe(OH)3 o el PAC.

Mientras que el consumo de floculantes no suele superar las 4 Kg/Tm de MS, el consumo de cal llega a valores del 15% de la MS del fango, lo que se traduce en un mayor grado de deshidratación, a expensas de una mayor producción de fango (MS).

A medida que se va formando la torta de fango, la presión en el interior de las cámaras va aumentando, hasta que llega un momento en que ésta se hace asintótica y la bomba neumática ralentiza su propia cadencia hasta prácticamente pararse. En este punto también se detiene la circulación de agua drenada, lo que es detectado mediante un sensor de flujo. El final del ciclo de la prensada se detecta mediante la señal de un presostato, que alerta de la situación al operador. Es en este momento cuando las tortas de fango están listas para ser descargadas.

El conjunto del filtro de prensa se suele montar sobre una estructura elevada, de forma que permita colocar un container bajo el paquete de las cámaras en el que se puedan recoger los sólidos prensados. Estos depósitos suelen tener un dispositivo de vaciado por si llegara agua o tortas mal formadas a su interior. Estos filtros se acostumbran a colocar en el exterior y disponen de un tejadillo para impedir que la lluvia llegue al depósito de fangos.

La descarga de las tortas es muy sencilla. Tan solo se debe descomprimir el grupo electrohidráulico que las mantiene cerradas, y posteriormente abrirlas y separarlas entre sí para que caigan al depósito por su propio peso.

En los filtros pequeños (con placas de hasta 1 m), se puede hacer la descarga manualmente, e incluso ayudarse de una palanca para separarlas de las placas a las que pueden quedar adheridas. Para los tamaños mayores se utilizan sistemas de descarga automáticos que desplazan las placas y acompañan las aperturas con vibraciones o repiqueteos que hacen que caigan las tortas. En cualquier caso, es imperativo revisar que no queden tortas adheridas, ni total ni parcialmente en las placas, para evitar que en sucesivos secados el cierre sea incorrecto y se produzcan fugas de lodos. Una solución común es hacer pasar corrientes de aire para secar todavía más las tortas y asegurar que toda el agua se haya filtrado.

Para optimizar la recogida de fangos secos, se montan sistemas de rotura de tortas a fin de reducir el volumen ocupado en el interior de los depósitos.

El mantenimiento de este tipo de filtros es muy sencillo, ya que se limita a mantener en buenas condiciones de limpieza las telas asociadas a las placas. Para ello se deben limpiar con cierta frecuencia, lo que implica una operación de lavado en circuito cerrado, o bien desmontarlas y limpiarlas a parte, para luego volverlas a montarlas una vez limpias.

5. Tipos de filtros prensa

Existen varios tipos de filtros prensa, cada uno con sus características y aplicaciones específicas. A continuación, se describen algunos de los tipos más comunes:

  • Filtros de prensa de placas y marcos: Este es el tipo más tradicional. Consiste en una serie de placas y marcos alternados, con un medio filtrante entre ellos. Los sólidos se acumulan en las cámaras formadas entre las placas, mientras que el agua atraviesa el medio filtrante y es evacuada. Este tipo de filtro prensa es versátil y puede adaptarse a diferentes tipos de lodos.
  • Filtros de prensa con membranas de post prensado: En este tipo de filtro prensa se añaden membranas elásticas a cada placa. Estas membranas permiten una mayor compresión de la torta de lodo, ya que esta se hincha hidráulica o neumáticamente, lo que redunda en una mayor eficiencia de deshidratación.
  • Filtros de banda prensada: A diferencia de los filtros de prensa de placas y marcos, estos filtros utilizan una banda filtrante continua que se mueve a través del sistema de rodillos tensados. El lodo se bombea sobre la banda, donde el agua se filtra a través de ella, dejando los sólidos atrapados. Este tipo de filtro es especialmente adecuado para grandes volúmenes de lodos y ofrece una alta capacidad de deshidratación, pero obtiene valores de deshidratación inferiores al filtro de placas y marcos. Se puede incrementar la concentración del fango seco mediante la adición de reactivos específicos y con la disposición previa de mesas de escurrido.
  • Filtro de prensa vertical o de torre: Este tipo de filtro prensa es similar al de placas y marcos, pero en lugar de apilar las placas horizontalmente, se disponen verticalmente en una torre. Esto permite un mayor aprovechamiento del espacio y una mayor capacidad de deshidratación en un área reducida. Los filtros prensa de torre son ideales para instalaciones con limitaciones de espacio.

Filtros de cámara empotrada: El filtro prensa de placas y bastidor utiliza una serie de placas y bastidores filtrantes, mientras que el filtro prensa de cámara empotrada utiliza placas filtrantes para formar cámaras empotradas. El diseño de placas y bastidores permite cubrir la tela con facilidad, mientras que el diseño de cámaras empotradas requiere fijar la tela firmemente a las placas. La elección entre estos dos diseños depende de los requisitos específicos de la aplicación, la capacidad de filtración y otras consideraciones operativas.

6. El conjunto DAF – filtro prensa

En una instalación de tratamiento de aguas residuales convencional, el fango separado por un sedimentador tendrá una concentración que variará entre un 0,6 y un 1,5 % de MS, dependiendo de si se trata de un fango secundario o primario. Esta concentración de lodo es demasiado baja para poderlo secar en un filtro prensa, por lo que se hace necesaria la instalación de un espesador intermedio.

Un espesador es un equipo de dimensiones y coste importantes, que requiere de depósito, sistemas mecánicos y bombas de trasiego adecuadas. El fango espesado en estos equipos suele alcanzar concentraciones del 3% al 4 % de MS, que ya se considera apta para ser tratada por un secado mecánico.

Este fango se almacena en un depósito de acumulación y se introduce en el filtro prensa mediante una bomba neumática, previa adición de reactivos floculante y coagulante, si es preciso.

Si en lugar de un equipo de clarificación por sedimentación se opta por la instalación de un sistema de flotación por aire disuelto (DAF), el sistema de espesamiento intermedio es prescindible, ya que el fango obtenido por el DAF tiene entre un 4% y un 5 % de MS. Un sistema DAF ofrece las siguientes ventajas:

  • Ahorro de espacio.
  • No es necesaria la instalación de un espesador.
  • Mayor eficiencia en la separación de sólidos suspendidos.
  • Se obtiene un agua clarificada de mejor calidad.

Si hacemos balance económico, no hay gran diferencia de inversión y consumos entre ambos sistemas, pues el DAF requiere de un equipamiento complementario para la presurización y despresurización de aire que se aporta.

Diagrama de flujos sistema DAF + filtro prensa para separación y secado de fangos

7. Conclusión

Los residuos sólidos generados durante el tratamiento de aguas residuales deben ser extraídos, tratados y deshidratados, para reducir su volumen al máximo, llegando como mínimo a un nivel de reducción en que sean admitidos por un vertedero autorizado. Para ello existen diversas tecnologías, entre las que destacan los procesos de secado mecánico, y, entre ellos, el secado mediante filtros de prensa, ya que proporciona un elevado grado de sequedad a un bajo coste energético y de reactivos.

Un punto importante a tener en cuenta es que el fango a tratar debe llegar acondicionado al filtro prensa, mediante la adición de los reactivos coagulantes y floculantes adecuaos, y a una concentración mínima que haga viable el proceso (3% – 5 %).

Los fangos procedentes de sistemas de clarificación por sedimentación rara vez llegan a estas concentraciones, por lo que se hace preciso un tratamiento de espesado intermedio.

Una alternativa eficaz, que economiza espacio y costes, y alcanza una reducción de contaminantes mayor en las aguas residuales, es la flotación por aire disuelto (DAF), en la que Sigmadaf tenemos una probada experiencia.

Los lodos extraídos del DAF ya tienen la concentración mínima necesaria para ser directamente introducidos al filtro de prensa para su deshidratación.

Bibliografía y consultas

¿Cuál Es La Diferencia Entre Un Filtro Prensa De Placas Y Bastidor Y Uno De Cámara Empotrada? – Kintek Solution (kindle-tech.com)

Filtro Prensa, la mejor alternativa a la deshidratación de fangos – AS Filtración (asfiltracion.com)

Filtro prensa: características, partes, cómo funciona, usos (lifeder.com)

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