La filtración lenta en arena es un tipo de sistema de purificación de agua centralizado o semicentralizado. Un filtro de arena lento bien diseñado y debidamente mantenido elimina eficazmente la turbiedad y los organismos patógenos a través de diversos procesos biológicos, físicos y químicos en un único paso de tratamiento.
Los filtros lentos de arena eliminan los agentes patógenos y sólidos suspendidos del agua con diferentes niveles de turbiedad utilizando arena fina como medio de filtración. Tienen una capacidad inigualable para reducir, en gran medida, los agentes patógenos del agua mediante una combinación de procesos físicos y microbiológicos naturales dentro del lecho filtrante, como la sedimentación, el tamizado, la adsorción, la adhesión, la competencia por el alimento y la depredación.
Principio de funcionamiento
El principio básico del proceso es muy simple. El agua contaminada fluye a través de una capa de arena, donde no sólo se filtra físicamente sino que se trata biológicamente. De esta manera, se eliminan tanto los sedimentos como los patógenos.
Este proceso se basa en la capacidad de los organismos para eliminar patógenos. Es importante distinguir entre la filtración de arena lenta y la rápida. La diferencia entre los dos, aparte de la velocidad de filtración, está en el concepto fundamental del proceso de tratamiento, en el sentido de que la filtración lenta de arena es esencialmente un proceso biológico, mientras que la filtración rápida de arena es un proceso de tratamiento físico.
Aunque la eliminación física de los sedimentos es una parte importante del proceso de purificación, el aspecto relevante es la filtración biológica. Las capas superiores de la arena se vuelven biológicamente activas mediante el establecimiento de una comunidad microbiana en la capa superior del sustrato de arena, también conocida como “schmutzdecke” y biocapa.
Estos microbios, generalmente, provienen del agua de origen y establecen una comunidad en cuestión de unos pocos días. La arena fina y la tasa de filtración lenta facilitan el establecimiento de esta comunidad microbiana. La mayoría de la comunidad son bacterias depredadoras que se alimentan de microbios transmitidos por el agua que pasan a través del filtro.
La parte más activa biológicamente de un filtro de arena lento, cuenta con una población densa de microrganismos que se desarrollan con el tiempo y que son clave para las propiedades de desinfección del filtro.
Datos necesarios para el cálculo
El dimensionamiento comienza con la determinación del caudal de diseño, la calidad del agua cruda, la superficie filtrante disponible, la velocidad de filtración y el número de unidades necesarias.
Caudal de diseño
El caudal de diseño debe expresarse en metros cúbicos por hora. Si el consumo se conoce en metros cúbicos por día, debe convertirse antes de calcular la superficie del filtro.
| Parámetro | Rango o condición de diseño |
|---|---|
| Velocidad de filtración | 0,1-0,3 m/h |
| Velocidad de filtración recomendada en diseños amplios | 0,1-0,4 m/h |
| Granulometría efectiva de la arena | 0,15-0,35 mm |
| Rango indicado para la arena fina | 0.15-0.30 mm de diámetro |
| Coeficiente de uniformidad | 1,5-3 |
| Profundidad del lecho de arena | 0,6-1,2 m |
| Altura del agua sobre el lecho | 1,0-1,5 m |
| Profundidad mínima del lecho antes de añadir arena | 0,6 m |
Calidad del agua de entrada
Se requiere un flujo constante de agua dulce con cierta calidad: turbidez (<10-20 UNT) y baja contaminación de algas.
Las FLA requieren una turbidez de entrada inferior a 20 UNT, preferiblemente, inferior a 10 UNT. De lo contrario, las medidas previas al tratamiento, como por ejemplo la sedimentación, se vuelven necesarias para garantizar que los filtros no se sobrecarguen.
Para una filtración lenta en arena, se recomienda que la turbiedad del agua cruda sea de hasta 10 NTU, con picos ocasionales de hasta 50 NTU. Para casos de mayor turbiedad, es necesario llevar a cabo un tratamiento previo, como la filtración de desbaste T.1 o sedimentación asistida T.4.
Las diferencias entre el límite habitual de 10 NTU, el límite preferible de 10 UNT y el límite inferior a 20 UNT dependen de la calidad media y de los picos ocasionales del agua cruda. Cuando la turbiedad es superior a la admisible para la operación estable, se necesita un tratamiento previo.
Materia orgánica natural y otros precursores de subproductos de desinfección no eliminados pueden formar subproductos de desinfección si se aplica cloro para la desinfección final.
Fórmula básica de dimensionamiento
La superficie filtrante se calcula a partir del caudal de diseño y de la velocidad de filtración seleccionada:
Área filtrante = Caudal de diseño / Velocidad de filtración
Cuando el caudal se expresa en metros cúbicos por hora y la velocidad de filtración en metros por hora, el resultado se obtiene en metros cuadrados.
Para un caudal constante, la superficie total necesaria se determina dividiendo el caudal entre la velocidad de filtración elegida. La velocidad debe mantenerse lenta, entre 0,1 y 0,4 m/h, para apoyar la actividad biológica y permitir un tiempo de contacto adecuado para otros procesos físicos.
Ejemplo de cálculo
Si el caudal de diseño es de 10 m³/h y se adopta una velocidad de filtración de 0,2 m/h, la superficie filtrante requerida se obtiene mediante la relación entre ambos valores.
Área filtrante = 10 m³/h / 0,2 m/h = 50 m²
Si se emplean varias unidades en paralelo, el área total se divide entre el número de filtros. Por ejemplo, con dos unidades iguales, cada una debe disponer de 25 m² de superficie filtrante durante el funcionamiento conjunto.
La instalación de varias unidades de filtrado en paralelo permite seguir tratando el agua mientras una unidad se encuentra fuera de servicio por limpieza o mantenimiento.
Velocidad de filtración y control del caudal
Dado que el proceso de filtración biológica requiere bastante tiempo para purificar suficientemente el agua, los FLA generalmente operan a velocidades de flujo lentas entre 0.1 - 0.3 m3/h por metro cuadrado de superficie.
El flujo de agua debe mantenerse a una velocidad entre 0.1 y 0.3 m/h. Esto proporciona un flujo estable de nutrientes y oxígeno a los microorganismos en el filtro y les da tiempo para tratar el agua.
La velocidad de filtración debe ser lenta, entre 0,1 y 0,4 m/h, para apoyar la actividad biológica y permitir un tiempo de contacto adecuado para otros procesos físicos.
El caudal es siempre descendente y está impulsado por la gravedad, y disminuirá con el tiempo a medida que el filtro se obstruya. En los filtros de mayor tamaño, el caudal constante suele conseguirse controlando el agua que sale del filtro mediante válvulas o controles de flotador que explican el aumento de la resistencia dentro del lecho filtrante.
Una vez que el caudal se reduce por debajo del necesario, es necesaria una limpieza.
Configuración del filtro
Los filtros lentos de arena se componen de un tanque que contiene el medio filtrante y un soporte de grava en el fondo; un tubo de drenaje para recolectar el agua filtrada; un control de caudal; y un sistema de drenaje de filtro.
Básicamente, sólo se requiere de una caja o tanque, un lecho filtrante de arena, tuberías de drenaje y dispositivos de regulación y control.
Tanque o cámara de filtración
El tanque, a menudo hecho de concreto, puede construirse como una caja abierta o cerrada, dependiendo de los factores climáticos, así como otros factores; por ejemplo, en el caso de haber un clima frío es preferible usar una caja cerrada, ya que las bajas temperaturas disminuyen el rendimiento del proceso.
Para uso comunitario, las cámaras de filtración también pueden estar hechas de ladrillo o ferrocemento. Recientemente, también se han usado cajas de plástico como cámaras de filtración.
El diseño simple de los FLA facilita el uso de materiales y habilidades locales en su construcción. Debido a la simplicidad de la construcción, estos filtros pueden ser construidos por contratistas experimentados o por comunidades con asistencia técnica externa.
Lecho filtrante
Las capas de arena se colocan gradualmente de acuerdo con sus tamaños de grano: granos más bien gruesos en el fondo y granos finos en la parte superior.
El tamaño de la arena es un parámetro de diseño crítico, con una granulometría efectiva que oscila entre 0,15 y 0,35 mm, con mayor eficacia con granos más pequeños, y un coeficiente de uniformidad de entre 1,5 y 3, lo que significa que no es ni demasiado uniforme ni demasiado diversa.
Cuando el tamaño de la arena es correcto, los sólidos se filtran solo en los centímetros superiores, pero cuando la arena es más gruesa, los sólidos penetrarán más profundamente, de modo que los procedimientos de mantenimiento no restablecerán adecuadamente el caudal.
En los filtros de mayor tamaño, en los que el agua fluye las 24 horas para aportar oxígeno y alimento a la capa biológica, la profundidad de la arena varía entre 0,6 y 1,2 m.
El lecho de arena generalmente está cubierto con un metro de agua sobrenadante. La altura del agua por encima del lecho filtrante suele estar entre 1,0 y 1,5 m.
Grava y drenaje
Un sistema de sumidero permite la salida del agua limpia, por encima de la cual varias capas de grava graduada impiden que la arena salga del filtro al tiempo que mejoran la velocidad del caudal.
Los materiales incluyen los compartimentos del filtro, el sistema de entrada y salida de agua con mecanismo de control, el sistema de sumidero, los medios filtrantes y el equipo para lavar y almacenar la arena.
Entrada del agua
El filtro debe estar diseñado de manera que el agua entrante no perturbe el Schmutzdecke.
El agua permanece así en el espacio sobre el medio biológico durante varias horas y las partículas más grandes se dejan separar y sedimentar. Luego, pasa a través del lecho de arena donde atraviesa una serie de procesos de purificación.
Presión, gravedad y bombeo
El agua requiere de algún tipo de presión física para poder superar la resistencia creado por las capas de arena. En términos de construcción, existen dos posibilidades donde la presión puede acumularse, o sea, mediante bombas o por gravedad.
Si bien los sistemas de bombeo necesitan algún tipo de motor y una construcción más elaborada, los sistemas de gravedad funcionan sin ningún medio altamente tecnológico.
Si las circunstancias topográficas permiten que el agua fluya a través de la gravedad durante todo el proceso, no se requieren bombas y, por lo tanto, tampoco electricidad.
Los filtros lentos de arena pueden utilizarse en sistemas de agua donde hay abastecimiento comunal por gravedad con tratamiento y abastecimiento comunal por bombeo con tratamiento.
Procesos de eliminación y rendimiento
La filtración lenta en arena es un método extremadamente eficiente para eliminar la contaminación microbiana y generalmente no hay presencia de bacterias en la salida.
Los FLA también son efectivos para eliminar protozoos y virus. Si la turbidez del efluente es inferior a 1.0 UNT, se logra una reducción del 90 al 99% en bacterias y virus.
Los filtros lentos de arena pueden reducir la turbiedad a menos de 1 NTU, así como la presencia de organismos patógenos, con más de un 95 % de reducción de bacterias y virus y más de un 99 % de reducción de Giardia y Cryptosporidium.
Este tipo de filtros mejoran el color y el sabor al tiempo que reducen las sustancias tóxicas orgánicas e inorgánicas en, al menos, un 50 %, por ejemplo, toxinas de cianobacterias, mercurio, hidrocarburos poliaromáticos, hierro, manganeso, cromo, cadmio y arsénico.
La eficacia de estos filtros depende del tamaño de la arena, la profundidad del lecho de arena, la temperatura y la dureza del agua. Se obtiene mayor eliminación de turbiedad con agua más dura.
No obstante, la filtración lenta de arena generalmente no es efectiva para la mayoría de los productos químicos. Sin embargo, se puede argumentar que los estándares químicos para el agua potable son una preocupación secundaria en el suministro de agua que está sujeta a una contaminación bacteriana severa.
Desinfección posterior
Aunque los FLA son muy efectivos para la eliminación de patógenos microbiológicos, la desinfección por cloración a menudo se usa en las instalaciones de tratamiento como un paso posterior a la unidad de la filtración lenta.
En primer lugar, con el propósito de inactivar cualquier bacteria restante siendo la unidad final de tratamiento y, en segundo lugar, para la provisión de un desinfectante residual que eliminará cualquier bacteria introducida durante el almacenamiento y/o distribución.
Por lo general, se agrega cloro después de la unidad de filtro para no afectar el proceso biológico.
Si el agua contiene grandes cantidades de materia orgánica natural, como por ejemplo las aguas superficiales de regiones tropicales, la cloración debe evitarse debido al riesgo de formación de subproductos de desinfección.
La filtración lenta de arena se considera un paso final del tratamiento y puede utilizarse como proceso de tratamiento de un solo paso para el agua potable, según la calidad del agua cruda.
La eficacia de la eliminación de patógenos depende del diseño del filtro y de las condiciones de funcionamiento. No obstante, en caso de emergencia crítica, el protocolo estándar consiste en desinfectar siempre el agua mediante cloración T.6 para proporcionar una protección residual.
Temperatura, clima y algas
Las condiciones climáticas deben estar en un rango moderado debido a que los FLA son menos efectivos para eliminar microorganismos en agua fría; la actividad biológica dentro del lecho filtrante y la biocapa disminuye a medida que las temperaturas disminuyen.
En climas fríos puede ser necesario tomar medidas especiales para evitar la congelación. El rendimiento de los procesos biológicos también se reduce en climas fríos.
En el caso de haber un clima frío es preferible usar una caja cerrada, ya que las bajas temperaturas disminuyen el rendimiento del proceso.
En climas cálidos, algunos tipos de algas pueden proliferar en la superficie de los filtros abiertos y provocar atascos. Esto a veces significa que los filtros deben estar cubiertos, aunque algunos tipos de crecimiento de algas combinados con la exposición a la luz ultravioleta en filtros abiertos podrían favorecer los procesos biológicos.
Se requiere un flujo constante de agua dulce con baja contaminación de algas para evitar problemas de operación y obstrucción superficial.
Puesta en marcha y maduración biológica
Los filtros lentos de arena deben mantenerse saturados porque sirven de hábitat a los organismos responsables del proceso de filtración biológica.
Esta comunidad microbiana diversa, conocida como Schmutzdecke, se forma durante las primeras semanas o meses de funcionamiento, según la calidad del agua cruda.
Estos microbios establecen una comunidad en cuestión de unos pocos días, aunque la actividad biológica tarda en madurar dentro del filtro.
Los filtros lentos de arena no son adecuados para la respuesta inmediata, ya que la actividad biológica tarda en madurar dentro del filtro.
Pueden considerarse para las fases de estabilización y recuperación como parte de un proceso de tratamiento más amplio cuando se dispone de tiempo para el diseño y la construcción de la planta.
Dado que los microorganismos tardan al menos unos días en recuperarse, y más tras la sustitución de la arena, lo normal es instalar varias unidades de filtrado en paralelo para poder seguir tratando el agua mientras se realiza el mantenimiento.
Obstrucción y limpieza
Tras varias semanas o incluso algunos meses de operación, la población de microorganismos puede volverse demasiado densa y comenzar a obstruir el filtro.
El caudal disminuirá con el tiempo a medida que el filtro se obstruya. Una vez que el caudal se reduce por debajo del necesario, es necesaria una limpieza.
La limpieza se realiza vaciando el filtro para que el nivel del agua esté unos 10 cm por debajo de la superficie de la arena antes de raspar manualmente la capa superior.
Si los caudales son demasiado bajos, el filtro debe drenarse y la capa superior de la arena debe rasparse, lavarse, secarse al sol y almacenarse.
Cuanto más rápido sea el proceso de limpieza, más rápido será el periodo de remaduración.
Tras varios raspados, la arena limpia y seca se agrega nuevamente al filtro, junto con arena nueva, para compensar las pérdidas durante el lavado.
Solo se añade arena adicional cuando el lecho filtrante alcanza una profundidad mínima de 0,6 m, lo que ocurre cada pocos años.
Se ha comprobado que colocar geotextil sobre la superficie de arena acelera la limpieza.
Los restos pueden lavarse y almacenarse.
Operación y mantenimiento
Para que una FLA sea efectiva, debe ser operada y mantenida adecuadamente.
Aunque los FLA se adaptan automáticamente a fluctuaciones menores en la calidad del agua dulce, temperatura y condiciones climáticas, así como también son capaces de hacer frente a cortos períodos de excesiva turbidez sin dañarse, se debe garantizar el mantenimiento periódico y adecuado.
Las principales tareas de O&M están relacionadas con el mantenimiento general de la planta, el control del caudal y la limpieza manual.
Los filtros lentos de arena pueden ser operados e incluso monitoreados por las comunidades, siempre que los cuidadores estén bien capacitados.
El cuidador necesita menos de una hora al día para verificar si el filtro funciona correctamente y para ajustar las tasas de flujo.
Una unidad de filtro se puede limpiar entre varias personas en solo un día, pero es importante que se observen medidas higiénicas constantemente.
Si el filtro está bien diseñado y construido, apenas será necesaria una reparación de los tanques del filtro y del sistema de drenaje, aunque las válvulas y los tubos metálicos pueden necesitar atención ocasional.
Si hay kits de prueba de agua disponibles, la calidad del agua puede monitorearse fácilmente sin una capacitación especial.
Sin embargo, un FLA para uso comunitario requiere una organización considerable para raspar y volver a llenar de arena las unidades de filtro.
Un cuidador local deberá ser entrenado. Además de arena extra, algo de cloro y materiales de prueba, se necesitan muy pocos elementos adicionales.
Con la asistencia externa adecuada, las organizaciones de agua pueden gestionar el tratamiento de forma independiente.
Aplicabilidad y escala
La idoneidad de la aplicación se da principalmente para el tratamiento de aguas superficiales en poblados de hasta 2500 habitantes con disposición suficiente de agua con capacidades y recursos, donde la tierra disponible no sea un factor limitante, sobretodo porque la disposición del agua suficiente permite un flujo constante.
También puede utilizarse para servir a casas dispersas con recursos y capacidades suficientes para su operación y mantenimiento, tanto con escasa disposición de agua, como suficiente disposición de agua, especialmente cuando la fuente de agua son aguas superficiales, como lagos, lagunas y embalses o ríos y riachuelos.
El principio fundamental de la FLA es equivalente a la filtración de bioarena, con la diferencia de que la primera se aplica en tratamientos de agua semicentralizados, y la segunda es principalmente para fines domésticos.
Los filtros lentos de arena pueden utilizarse en todas las escalas, desde grandes plantas de tratamiento hasta domicilios particulares.
Los filtros domésticos de bioarena también podrían considerarse en la fase de recuperación, inicialmente como proyecto piloto para determinar su aceptación, para el tratamiento sostenible continuo del agua para poblaciones dispersas.
La filtración lenta de arena es un método de tratamiento altamente compatible en poblaciones donde las poblaciones están dispuestas a colaborar y puede contribuir a mejorar los sistemas de gestión del agua en muchas regiones de países en desarrollo.
Superficie necesaria y limitaciones de terreno
Los filtros lentos de arena requieren grandes superficies, a menudo hasta 10 veces mayores que los filtros de arena rápidos y más de 50 veces mayores que los sistemas de membrana como la microfiltración T.3 o la ultrafiltración T.10.
En las zonas urbanas, la aplicación de filtro de arena lento ocupa demasiado espacio.
El precio y la disponibilidad del terreno influirán considerablemente en los costos iniciales.
El abandono del uso de la filtración lenta de arena en los países industrializados se debe, en gran parte, al aumento de los precios de los terrenos y los costos laborales, que incrementan el precio del agua producida por FLA.
Cuando este no es el caso, los FLA representan un método rentable para el tratamiento del agua.
Costos de construcción y operación
| Concepto | Valor indicado |
|---|---|
| Costos iniciales | en torno a los USD 100/m3/día de capacidad |
| Costos corrientes de O&M | unos USD 3/m3/día de capacidad |
| Superficie frente a filtros rápidos | hasta 10 veces mayores |
| Superficie frente a microfiltración o ultrafiltración | más de 50 veces mayores |
Los costos iniciales del filtro varían en torno a los USD 100/m3/día de capacidad, similar a los filtros de arena rápidos T.2.
Los costos corrientes de O&M son de unos USD 3/m3/día de capacidad, que son menores a los de los filtros de arena rápidos, ya que los intervalos entre las tareas de mantenimiento son más largos.
Una vez que la instalación está construida, sólo se requerirá de arena limpia para el reemplazo ocasional.
Materiales y construcción local
El diseño simple de los FLA facilita el uso de materiales y habilidades locales en su construcción.
Debido a la simplicidad de la construcción, estos filtros pueden ser construidos por contratistas experimentados o por comunidades con asistencia técnica externa.
Un ejemplo claro de cómo este tratamiento es sencillo y económico de construir y operar se puede ver en la comunidad de Axhumol (Tamazunchale), en la que a finales del año 2002 se puso en marcha una planta potabilizadora alimentada por el agua del río Amajac, captada a través de una galería filtrante, y en la que logra depurarla, clarificarla y bombearla a un filtro lento de arena, logrando que sea apta para el consumo, cumpliendo con lo establecido en la Norma Oficial Mexicana.
La operación, que se realiza con energía solar, tiene un costo bastante bajo y la construcción se hizo con el apoyo de la comunidad, quienes obtuvieron la experiencia necesaria para su futura operación y mantenimiento.
Ventajas y condiciones de uso
- La filtración lenta de arena es esencialmente un proceso biológico.
- El sistema combina procesos físicos y microbiológicos naturales.
- Puede eliminar sedimentos, bacterias, protozoos y virus.
- Puede reducir la turbiedad del agua tratada a menos de 1 NTU.
- Puede operar por gravedad sin electricidad cuando la topografía lo permite.
- La construcción puede utilizar materiales y habilidades locales.
- La operación y el mantenimiento requieren habilidades básicas.
- Los intervalos entre las tareas de mantenimiento son más largos que en los filtros de arena rápidos.
- Las comunidades pueden operar y monitorear los filtros con capacitación adecuada.
- El método puede emplearse en sistemas centralizados, semicentralizados y domésticos.
La filtración lenta de arena es una técnica muy prometedora para la purificación del agua y, por lo tanto, para el desarrollo de un sistema de agua sostenible, especialmente cuando existe disponibilidad suficiente de agua, superficie para construir las unidades y capacidad local para realizar la operación y el mantenimiento.
Filtros lentos de arena como una alternativa de saneamiento de agua en zonas rurales
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