02 Diciembre 2018

Filtración rápida de arena

Autor
Marco Bruni y Dorothee Spuhler (seecon)
Adaptado por
Luis Roberti Pérez (seecon)
Adaptado de

Resumen ejecutivo

La filtración rápida de arena es un método completamente físico de depuración de agua potable en el que se consigue una eliminación rápida y eficiente de partículas suspendidas relativamente grandes. Para la provisión de agua potable, estos filtros requieren de un pretratamiento adecuado (generalmente coagulación-floculación) y un post-tratamiento (generalmente desinfección con cloro).

Ventajas
Muy eficaz para eliminar la turbidez, generalmente <0.1-1 NTU (unidades de turbidez)
Alta velocidad de filtración (4 000 – 12 000 litros por hora por metro cuadrado de superficie)
Requiere de una pequeña superficie de terreno
Sin limitaciones con respecto a los niveles de turbidez inicial (siempre que el coagulante o floculante esté disponible y se aplique correctamente)
El tiempo de limpieza (lavado a contracorriente) sólo lleva varios minutos y los filtros pueden volver a ponerse en funcionamiento al instante
Puede tratar directamente el agua cruda, es decir, no se necesita un almacenamiento preliminar
Desventajas
No es efectivo para eliminar bacterias, virus, fluoruro, arsénico, sales, olores y materia orgánica (requiere tratamiento previo y posterior)
Alto costos de capital y de mantenimiento
Se requiere limpieza frecuente (lavado a contracorriente), tras un tiempo de funcionamiento de entre 24 y 72 horas
Supervisión especializada esencial (por ejemplo, para el control de flujo y la dosificación de desinfectante)
Requiere de alto aporte de energía
Tanto el agua para el lavado a contracorriente como el lodo necesitan de tratamiento
Se necesita un sistema de alcantarillado o estanques de estabilización

Introducción

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Los filtros rápidos de arena evolucionaron a fines del siglo XIX en Estados Unidos y rápidamente ganaron popularidad. En la década de 1920, fueron ampliamente utilizados como un método importante de purificación de agua, ya que las instalaciones necesarias ocupaban menos superficie en comparación con los filtros lentos de arena. Hoy en día, una combinación de floculación y coagulación, sedimentación, filtración y desinfección (por ejemplo, cloración) es la tecnología de tratamiento de agua más ampliamente usada para tratar grandes cantidades de agua potable en zonas urbanas (SDWF s.f.).

La filtración rápida de arena, en contraste con la filtración lenta de arena, es un proceso de tratamiento puramente físico. A medida que el agua fluye a través de varias capas de arena y grava de grano grueso, las partículas relativamente grandes se retienen con seguridad (VAN DIJK & OOMEN 1978). Sin embargo, estos filtros por sí solos no brindan agua potable, por lo que es necesario, por una parte, realizar un pretratamiento adecuado que, generalmente, es la coagulación y la floculación y, por otra, un tratamiento posterior que es la desinfección con cloro.

Es un proceso relativamente sofisticado, en el que tanto la construcción como su operación son costosas, y generalmente requiere bombas operadas a motor, lavado a contracorriente o limpieza regular y control de flujo de la salida del filtro. La filtración rápida de arena es común en países desarrollados para el tratamiento de grandes cantidades de agua donde la superficie disponible es un factor muy limitante y donde se dispone de material, mano de obra calificada y suministro continuo de energía.

Consideraciones de diseño

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La filtración es un proceso físico en el que se hace pasar una mezcla sólido-fluido por un medio relativamente poroso, en donde se atrapan los sólidos y se deja pasar el fluido. Si se quiere que el agua tenga una calidad satisfactoria, entonces hay que incluir dentro del proceso el uso de un filtro. Existen diferentes tipos de filtros en función de, por ejemplo, la materia que se quiere separar, el mecanismo de retención, el tipo de flujo, la velocidad de filtración, etc. Dentro de estos últimos, se encuentran los filtros rápidos de arena cuyas partes principales son: cámara del filtrado (tanque), medio filtrante (arena), soporte de grava, sistema de drenaje y canaletas de lavado (PEREZ DE LA CRUZ y URREA 2011).

La cámara de filtrado generalmente está hecha de hormigón armado y está llena de arena y grava que en conjunto tienen una altura aproximada de entre 1.5 - 2 metros. Por lo general, la arena es el material más empleado como medio filtrante. Es la encargada de retener las partículas sólidas en suspensión, mientras que la función de la grava es servir de lecho donde reposa la arena, así como permitir que el agua filtrada fluya hacia el drenaje. El tamaño efectivo de la arena de la capa filtrante oscila entre 0.5 y 1.5 mm de diámetro, mientras que el tamaño de la grava de la base puede oscilar entre 35 y 130 mm, dispuesta en capas de menor a mayor grosor (PEREZ DE LA CRUZ y URREA 2011; WHO 1996).

El agua cruda es alimentada al tanque por la parte superior del filtro y se va filtrando (descendiendo) a través del lecho filtrante de arena hasta que llega al fondo de la cámara donde un sistema de tubos perforados en el fondo drena el agua filtrada. Para forzar a que el agua se mueva a través del medio filtrante siempre debe mantenerse a un nivel de entre 1.5 a 2 metros de altura de agua sobre la arena. La cámara del filtrado puede construirse como un tanque abierto, llamado filtro rápido por gravedad, o uno cerrado, denominado filtro a presión (WHO 1996).

Partes de un filtro rápido de arena
Partes de un filtro rápido de arena abierto. Fuente: BARRIOS et al. 2009, p.44

 

Filtro a presión de arena
Filtro a presión de arena. Fuente: BARRIOS et al. 2009, p.45

 

El proceso se lleva a cabo en el medio filtrante donde quedan adsorbidas las partículas sólidas y está determinado por dos principios físicos básicos. En primer lugar, las partículas suspendidas relativamente grandes se atascan entre los granos de arena cuando pasan por el medio filtrante, es decir, esfuerzo mecánico. En segundo lugar, las partículas más pequeñas se adhieren a la superficie de los granos de arena causados ​​por el efecto de las fuerzas de van der Waals, o sea, adsorción física. Se puede agregar un coadyuvante químico de filtración (es decir, coagulante o floculante) para estimular que las partículas más pequeñas se unan entre sí, lo que hace posible que se filtren con mayor eficacia (SCHMITT & SHINAULT 1996).

Principios físicos básicos de la filtración
Principios físicos básicos de la filtración. Fuente: adaptado de SCHMITT & SHINAULT 1996 [imagen online]

 

A medida que sigue el proceso, se van acumulando más y más partículas en el medio filtrante. Esto causa un incremento en la obstrucción de los filtros y, con ello, una disminución del rendimiento. El rendimiento inicial del filtrado se puede volver a recuperar tras una limpieza del lecho filtrante. Esto, generalmente, se lleva a cabo mediante un lavado a contracorriente o retrolavado. Es decir, el flujo de agua es invertido haciendo que el agua tratada fluya hacia atrás a través del filtro. La arena se vuelve a suspender y la materia sólida se separa en el agua superficial. Con frecuencia, se inyecta aire para favorecer el proceso de limpieza en el retrolavado (WHO 1996). Tan pronto como la mayoría de las partículas acumuladas en el filtro se eliminan por lavado y el agua que fluye hacia atrás queda clara, el filtro se puede volver a poner en funcionamiento. El proceso completo puede tomar unos 15 minutos aproximadamente. Claramente, se generan cantidades relativamente grandes de lodo a través del retrolavado y requieren de algún tipo de tratamiento antes de su descarga al medio ambiente (UNEP 1998).

Idoneidad

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La filtración rápida de arena requiere instalaciones técnicas complejas, trabajadores calificados para su construcción y operación, así como grandes insumos energéticos. Por sí sola el agua filtrada no es segura de beber, por lo que se hace necesario acompañarla tanto de un pretratamiento (coagulación/floculación) como de una desinfección, que por lo general es con cloro.  Por este motivo, la aplicación de esta tecnología se deja para áreas urbanas donde la superficie disponible es un factor limitante y se tienen suficientes recursos y capacidades; no obstante, se debe hacer un estudio exhaustivo para medir la factibilidad de usarlos en zonas rurales. De los escenarios que se plantean, este tratamiento es idóneo para poblados de aproximadamente 2500 habitantes que tengan capacidades y recursos y con disposición óptima de agua para mantener no sólo un suministro continuo del mismo, sino también un alto rendimiento del proceso. Este escenario es acorde con los sistemas de abastecimiento de agua por gravedad con tratamiento y de abastecimiento comunal por bombeo, con tratamiento, que con idóneos cuando las fuentes son superficiales como ríos y riachuelos o lagos, lagunas y embalses.

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La filtración rápida de arena es un método altamente eficaz para eliminar la turbidez si se aplica correctamente (BRIKKE & BREDERO 2003). Igualmente, los sólidos formados durante el pretratamiento, es decir, cuando se usa la coagulación-floculación, se filtran. Cuando estos filtros operan de forma efectiva reducen la turbidez a menos de 1 NTU y, a menudo, menos de 0.1 NTU (WHO 1996). No obstante, para la eliminación de la mayoría de los otros contaminantes, no son efectivos. Pero si se combina con medidas adecuadas de pretratamiento y desinfección final, la filtración rápida de arena producirá agua potable. En el siguiente cuadro se puede ver el comportamiento típico de los filtros rápidos de arena siempre y cuando el agua dulce haya sido pretratada con coagulación y floculación.

Comportamiento típico del tratamiento con filtros rápidos
Comportamiento típico del tratamiento de los filtros de arena rápidos con pretratamiento. Adaptado de: BRIKKE & BREDERO 2003; DEBOCH & FARIS 1999; SDWF s.f. y WHO s.f.

 

Operación y mantenimiento

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La construcción de un filtro rápido de arena requiere la supervisión de un ingeniero competente y trabajadores calificados. Implica la construcción de fundamentos y muros de concreto reforzado y muchas instalaciones técnicas. Sólo una realización muy precisa garantiza un funcionamiento del tratamiento del agua.

Respecto a la operación, hay que tener en cuenta estos tres puntos: el control del flujo, realizar el retrolavado y la limpieza o mantenimiento. El período entre retrolavados depende de la calidad del agua de alimentación y, normalmente, se encuentra entre 24 y 72 horas de funcionamiento del filtro (UNEP 1998). El proceso de limpieza requiere de una interrupción del proceso de purificación de un período de 5 a 10 minutos por lecho filtrante. Por ello, se requieren varias unidades de filtro paralelas para garantizar el suministro constante de agua. El proceso de retrolavado debe observarse cuidadosamente; en particular, la velocidad de flujo debe controlarse para evitar la erosión del medio filtrante. Es posible que sea necesario reacondicionarlo periódicamente, a intervalos poco frecuentes, para garantizar un funcionamiento eficiente (UNEP 1998). Por estos motivos, la operación y el mantenimiento requieren de trabajadores calificados y altamente confiables (BARRIOS et al. 2009).

Referencias

Guía de orientación en saneamiento básico para alcaldías de municipios rurales y pequeñas comunidades

BARRIOS, C., TORRES, R., LAMPOGLIA, T. y AGÜERO R. (2009): Guía de orientación en saneamiento básico para alcaldías de municipios rurales y pequeñas comunidades. Lima (Perú): Organización Panamericana de la Salud (OPS)/Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). URL [Visita: 07.05.2018] PDF

Linking Technology Choice with Operation and Maintenance in the context of community water supply and sanitation

BRIKKE, F. & BREDERO, M (2003): Linking Technology Choice with Operation and Maintenance in the context of community water supply and sanitation. A reference Document for Planners and Project Staff. Geneva (Switzerland): World Health Organization (WHO) and IRC Water and Sanitation Centre. URL [Visita: 08.08.2018] PDF

Slow Sand Filtration for Community Water Supply in Developing Countries. A Design and Construction Manual

VAN DIJK, J.C. and OOMEN, J.H.C (1978): Slow Sand Filtration for Community Water Supply in Developing Countries. A Design and Construction Manual. The Hague (The Netherlands): World Health Organisation (WHO) International Reference Centre for Community Water Supply. Technical Paper, 11, pp.1-175. URL [Visita: 07.08.2018] PDF
Lecturas complementarias

Filtro rápido de arena para el estudio de remoción de enteroparásitos protozoos en agua

Es un artículo en el que a través de un filtro rápido de arena por gravedad, a escala laboratorio, se evaluó la remoción de quistes de Giardia duodenalis y ooquistes de Cryptosporidium spp. Como resultado se obtuvo una remoción de 99,6 % de ooquistes y 96,9 % de quistes, con lo que se concluye que, siempre y cuando haya un diseño y operación adecuados, la filtración rápida actua como barrera pero no garantiza la remoción completa de estos protozoos.

MODINI, L., PIZARRO, A., PIZARRO, M. y ZERBATTO, M. (2017): Filtro rápido de arena para el estudio de remoción de enteroparásitos protozoos en agua. Santa Fe (Argentina): Revista FABICIB, vol. 21, pp.27-37. URL [Visita: 08.08.2018] PDF

Control de Fasciola Hepática en el agua de consumo animal a través de filtración rápida y lenta

Para el estudio se diseñaron y construyeron dos filtros con arena como medio filtrante y se usaron para evaluar qué sistema de filtración, rápida y lenta, era más eficiente para controlar al parásito Fasciola Hepática, causante de pérdidas económicas considerables en las regiones lecheras de Antioquia (Colombia). Como resultado, ambos filtros fueron 100% eficientes removiendo los huevos del parásito y disminuyeron entre 76% y 86% la turbidez a velocidades diferentes.

GONZÁLEZ, C., SÁNCHEZ, G., CASTRO, C., GÓMEZ, C., MOLINA, F. y VELÁSQUEZ L. (2013): Control de Fasciola Hepática en el agua de consumo animal a través de filtración rápida y lenta. Medellín (Colombia): Revista EIA, Vol. 10, No. 19, pp. 133-141. URL [Visita: 08.08.2018] PDF

Orientaciones sobre agua y saneamiento para zonas rurales

Documento preparado como un compendio de orientaciones tecnológicas sobre agua y saneamiento que generalmente se proponen para municipios rurales y comunidades pequeñas; entre las tecnologías está el de filtración rápida de arena

LAMPOGLIA, T., AGÜERO, R. y BARRIOS, C. (2008): Orientaciones sobre agua y saneamiento para zonas rurales. Guía de orientación en saneamiento básico para alcaldes y alcaldesas de municipios rurales y pequeñas comunidades. Lima (Perú): Organización Panamericana de la Salud (OPS). Asociación Servicios Educativos Rurales (SER). URL [Visita: 08.08.2018] PDF

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