Filtración rápida de arena

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.

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).

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).

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).

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.

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.

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).