Capítulo 5 FILTRACIÓN LENTA

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1 Capítuo 5 FILTRACIÓN LENTA 47

2 Introducción La fitración enta en arena (FLA) es e sistema de tratamiento de agua más antiguo de mundo. Copia e proceso de purificación que se produce en a naturaeza cuando e agua de uvia atraviesa os estratos de a corteza terrestre y forma os acuíferos o ríos subterráneos. E fitro ento se utiiza principamente para eiminar a turbiedad de agua, pero si se diseña y opera convenientemente puede ser considerado como un sistema de desinfección de agua. A diferencia de a fitración rápida en arena, en a que os microorganismos se amacenan en os intersticios de fitro hasta que se vierten nuevamente en a fuente por medio de retroavado, a FLA consiste en un conjunto de procesos físicos y bioógicos que destruye os microorganismos patógenos de agua. Eo constituye una tecnoogía impia que purifica e agua sin crear una fuente adiciona de contaminación para e ambiente. Básicamente, un fitro ento consta de una caja o tanque que contiene una capa sobrenadante de agua que se va a desinfectar, un echo fitrante de arena, drenajes y un juego de dispositivos de reguación y contro. Fitro ento de arena en una zona rura Propiedades y descripción de a desinfección mediante fitración enta E fitro ento se caracteriza por ser un sistema sencio, impio y a a vez eficiente para e tratamiento de agua. Comparado con e fitro rápido, requiere de áreas más grandes para tratar e mismo cauda y, por o tanto, tiene mayor costo inicia. Sin embargo, su simpicidad y bajo costo de operación y mantenimiento o convierte en un sistema idea para zonas ruraes y pequeñas comunidades, teniendo en cuenta además que os costos por área de terreno son comparativamente menores en estas zonas. La fitración enta, como se ha mencionado, es un proceso que se desarroa en forma natura, sin a apicación de ninguna sustancia química, pero requiere un buen diseño, así como una apropiada operación y cuidadoso mantenimiento para no afectar e mecanismo bioógico de fitro ni reducir a eficiencia de remoción microbioógica. Huisman & Wood describieron en 1974 e método de desinfección por medio de a fitración enta, como a circuación de agua cruda a baja veocidad a través de un manto poroso de arena. Durante e proceso, as impurezas entran en contacto con a superficie de as partícuas de medio fitrante y son retenidas, desarroándose adicionamente procesos de degradación química y 48

3 bioógica que reducen a materia retenida a formas más simpes, as cuaes son evadas en soución o permanecen como materia inerte hasta un subsecuente retiro o impieza. E agua cruda que ingresa a a unidad permanece sobre e medio fitrante tres a doce horas, dependiendo de as veocidades de fitración adoptadas. En ese tiempo, as partícuas más pesadas que se encuentran en suspensión se sedimentan y as partícuas más igeras se pueden agutinar, o que faciita su remoción posterior. Durante e día, bajo a infuencia de a uz soar, se produce e crecimiento de agas, as cuaes absorben bióxido de carbono, nitratos, fosfatos y otros nutrientes de agua para formar materia ceuar y oxígeno. E oxígeno así formado se disueve en e agua, entra en reacción química con as impurezas orgánicas y hace que éstas sean más asimiabes por os microorganismos. En a superficie de medio fitrante se forma una capa constituida por materia de origen orgánico, conocida con e nombre de schmutzdecke o pie de fitro, a través de a cua tiene que pasar e agua antes de egar a propio medio fitrante. E schmutzdecke o capa bioógica está formado principamente por agas y otras numerosas formas de vida, como pankton, diatomeas, protozoarios, rotíferas y bacterias. La acción intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y degrada a materia orgánica contenida en e agua. Las agas muertas, así como as bacterias vivas de agua cruda son también consumidas en este proceso. A mismo tiempo que se degradan os compuestos nitrogenados se oxigena e nitrógeno. También se remueve ago de coor y una considerabe proporción de partícuas inertes en suspensión es retenida por cernido. Una vez que e agua pasa a través de schmutzdecke, entra a echo fitrante y es forzada a atravesaro en un proceso que normamente toma varias horas y en e que se desarroan diversos procesos físicos y bioógicos que constituyen e proceso fina de purificación. Mecanismos de a desinfección mediante fitración enta En e proceso de fitración enta actúan varios fenómenos o mecanismos físicos simiares a os de a fitración rápida previos a mecanismo bioógico que desinfecta e agua, agunos de os cuaes hemos mencionado íneas arriba. Estos mecanismos son muy importantes, dado que permiten a concentración y adherencia de as partícuas orgánicas a echo bioógico para su biodegradación A continuación se describe brevemente a función de cada uno de os mecanismos físicos o de remoción que se producen en a fitración enta, así como e mecanismo bioógico responsabe de a desinfección. 1. Mecanismos de transporte Esta etapa de remoción básicamente hidráuica iustra os mecanismos mediante os cuaes ocurre a coisión entre as partícuas y os granos de arena. Estos mecanismos son: cernido, intercepción, sedimentación, difusión y fujo intersticia. Cernido: En este mecanismo, as partícuas de mayor tamaño que os intersticios de materia fitrante son atrapadas y retenidas en a superficie de medio fitrante. Intercepción: Mediante este mecanismo as partícuas pueden coisionar con os granos de arena. 49

4 Sedimentación: Este mecanismo permite que as partícuas sean atraídas por a fuerza de gravedad hacia os granos de arena, o que provoca su coisión. Este fenómeno se incrementa apreciabemente por a acción de fuerzas eectrostáticas y de atracción de masas. Difusión: Se produce cuando a trayectoria de a partícua es modificada por micro variaciones de energía térmica en e agua y os gases disuetos en ea, o cua puede provocar su coisión con un grano de arena. Fujo intersticia: Este mecanismo se refiere a as coisiones entre partícuas debido a a unión y bifurcación de íneas de fujo que devienen de a tortuosidad de os intersticios de medio fitrante. Este cambio continuo de dirección de fujo crea mayor oportunidad de coisión. Partícua Línea de fujo Grano de arena Grano de arena Grano de arena Intercepción Convección y Sedimentación Convección y Difusión 2. Mecanismo de adherencia Mecanismos de transporte Este mecanismo es e que permite remover as partícuas que, mediante os mecanismos arriba descritos, han coisionado con os granos de arena de medio fitrante. La propiedad adherente de os granos de arena es proporcionada por a acción de fuerzas eéctricas, acciones químicas y atracción de masas así como por peícua bioógica que crece sobre eos, y en a que se produce a depredación de os microorganismos patógenos por organismos de mayor tamaño taes como os protozoarios y rotíferas. 3. Mecanismo bioógico de a desinfección Como se indicó anteriormente, a remoción tota de partícuas en este proceso se debe a efecto conjunto de mecanismo de adherencia y e mecanismo bioógico. Es necesario que para que e fitro opere como un verdadero sistema de desinfección se haya producido un schmutzdecke vigoroso y en cantidad suficiente. Soo cuando se ha egado a ese punto, e FLA podrá operar correctamente. Entonces se dice que e fitro (o e manto) está maduro. A iniciarse e proceso, as bacterias depredadoras o benéficas transportadas por e agua utiizan como fuente de aimentación e depósito de materia orgánica y pueden mutipicarse en forma seectiva, o que contribuye a a formación de a peícua bioógica de fitro. Estas bacterias 50

5 oxidan a materia orgánica para obtener a energía que necesitan para su metaboismo (desasimiación) y convierten parte de ésta en materia necesario para su crecimiento (asimiación). Así, as sustancias y materia orgánica muerta se convierten en materia viva. Los productos de a desasimiación son evados por e agua a profundidades mayores y son utiizados por otros organismos. E contenido bacterioógico está imitado por e contenido de materia orgánica en e agua cruda y es acompañado de un fenómeno de mortaidad concomitante, durante e cua se ibera materia orgánica para ser utiizada por as bacterias de as capas más profundas y así sucesivamente. De este modo, a materia orgánica degradabe presente en e agua cruda se descompone graduamente en agua, dióxido de carbono y saes reativamente inocuas, como sufatos, nitratos y fosfatos (proceso de mineraización), os cuaes son descargados en e efuente de os fitros. La actividad bacterioógica descrita es más pronunciada en a parte superior de echo fitrante y decrece graduamente con a profundidad y a disponibiidad de aimento. Cuando se impian as capas superiores de fitro se remueven as bacterias, siendo necesario un nuevo período de maduración de fitro hasta que se ogre desarroar a actividad bacterioógica necesaria. A partir de 0,30 a 0,50 m de profundidad, a actividad bacterioógica disminuye o se anua (dependiendo de a veocidad de fitración); en cambio, se producen reacciones bioquímicas que convierten a os productos de degradación microbioógica (como aminoácidos) en amoníaco y a os nitritos en nitratos (nitrificación). Como e rendimiento de fitro ento depende principamente de proceso bioógico, mientras a capa bioógica está desarroándose, a eficiencia es baja y no debe considerarse a FLA como un eiminador de materia orgánica, sino como un mejorador de a caidad de agua, sobretodo de a turbiedad. La maduración de un FLA puede demorar de dos a cuatro semanas. Subproductos de a desinfección mediante fitración enta Los subproductos de proceso de fitración enta son sustancias naturaes de degradación bioógica sin ningún riesgo para a saud, ya que e proceso no requiere sustancias químicas que reaccionen con a materia disueta en e agua. En ta sentido, os subproductos de a fitración enta son dióxido de carbono y saes reativamente inocuas, como sufatos, nitratos y fosfatos, además de un contenido bajo de oxígeno disueto. Estas condiciones pueden ser revertidas con un proceso de aireación. Equipos e infraestructura Dada a senciez de a fitración enta, soo se requiere un equipo de bombeo cuando es necesario eevar a carga hidráuica para que e agua egue hasta e fitro. Por otro ado, a caidad de agua cruda determina e uso de otras instaaciones adicionaes a fitro ento a fin de adecuar a caidad de agua cruda a as condiciones de operación de fitro. 51

6 En e cuadro siguiente se muestra una síntesis de as aternativas de pretratamiento en función de as variaciones de caidad de a fuente para a instaación de un fitro ento de arena. Criterios de seección de os procesos en función de a caidad de a fuente ALTERNATIVAS Fitro ento de arena (FLA) soamente Límites de caidad de agua cruda aceptabes 90% de tiempo 80% de tiempo Esporádicamente To 50 UNT To 20 UNT To max 100 UNT Co 50 UC Co 40 UC FLA + prefitro de grava (PG) Cf. (10) 4 /100 m To 100 UNT Co 60 UC To 60 UNT Co 40 UC To max 150 UNT FLA + PG + sedimentador (S) Cf (10) 4 /100 m To 300 UNT Co 60 UC To 200 UNT Co 40 UC To max 500 UNT FLA + PG + S + presedimentador Cf (10) 4 /100 m To 500 UNT Co 60 UC To 200 UNT Co 40 UC To max 1000 UNT Cf (10) 4 /100 m Co = Coor de agua cruda To = Turbiedad de agua cruda Cf = Coiformes fecaes UC = Unidades de coor coro patinado de cobato UNT = Unidades nefeométricas de turbiedad E parámetro de diseño más importante en un FLA es a veocidad de fitración (V f ). La misma debe tener un vaor en e rango: Se debe notar que [m 3 /m 2 hora] = [m/hora] 0,1 m 3 /m 2 hora - 0,3 m 3 /m 2 hora Otros parámetros de diseño importantes en reación con e materia fitrante son: Lecho de soporte: Camada Tipo Diámetro de partícua (mm) Espesor de a camada (mm) Superior Arena gruesa Segunda Gravia fina Tercera Gravia Inferior Grava Medio fitrante: Tamaño efectivo, d 10 0,15 0,45 mm Coeficiente de uniformidad CU 1,5 4,0 Atura de medio fitrante 0,5 0,7 m 52

7 Cuando e fitro ento es a única unidad de tratamiento, a veocidad será de 0,10 m/h. Se podrán considerar veocidades mayores en casos excepcionaes cuando se consideren otros procesos preiminares, como se observa en e cuadro siguiente. Veocidad de fitración de acuerdo con e número de procesos preiminares Procesos V f (m/h) FLA 0,10 0,20 Sedimentación (S) + FLA 0,15 0,30 Prefitración (PF) + FLA 0,15 0,30 S + PF + FLA 0,30 0,50 La veocidad de diseño también es importante a decidir e número de unidades con as que operará e fitro. Con veocidades mayores de 0,2 m/h deberá considerarse un mínimo de tres unidades. E área de cada unidad (As) es una función de a veocidad de fitración (Vf), de cauda (Q), de número de turnos de operación (C) y de número de unidades (N). As = (Q x C) / (N x Vf) Con operación continua e área de a unidad (en m 2 ) será igua a: As = Q / (N x Vf) Los fitros entos de arena pueden adoptar ser rectanguares o circuares, dependiendo de materia con e que se eaboran: hormigón, ferrocemento o mampostería. La figura muestra un fitro ento modificado rectanguar de hormigón.. Aiviadero FILTRO 1 Desague FILTRO 2 CORTE A - A Fitro ento modificado rectanguar de hormigón 53

8 Requerimientos para a instaación Para a instaación de a panta deben considerarse os siguientes aspectos: a. Ubicación Debe estar en una zona accesibe, con vías de comunicación que faciiten su posterior construcción, operación y mantenimiento. E agua subterránea debe estar ausente o muy profunda. La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturaes o humanos. De preferencia, a topografía de a zona seeccionada debe reunir os desni-vees necesarios para que e sistema pueda operar totamente por gravedad. b. Aspectos reacionados con a comunidad Efectuar estudios socioógicos para determinar as costumbres y creencias que puedan afectar a aceptación de sistema. Comprobar a información demográfica disponibe. Determinar os recursos humanos y materiaes disponibes para adecuar e diseño de sistema. Estudiar a incidencia de enfermedades de origen hídrico y presencia de vectores. c. Concepción de sistema Para que a operación de sistema sea confiabe, debe evitarse e uso de dispositivos para eevar e nive de agua (bombas). De esta manera, a operación de sistema no dependerá de suministro de energía eéctrica ni de repuestos sofisticados que normamente no están disponibes ocamente y que incrementan e costo de mantenimiento de sistema. Si tuviera que eevarse e nive de agua por razones topográficas, se debería efectuar una soa etapa de bombeo que eeve e agua cruda hasta un nive, desde e cua pueda distribuirse por gravedad a reservorio y a a red. Preferentemente, e fitro ento debe operar en forma continua, esto permite unidades más pequeñas y abastecimiento continuo de nutrientes y oxígeno necesarios para mantener a capa bioógica. Para garantizar esta situación, cuando se tiene una etapa de bombeo, es recomendabe construir un tanque de amacenamiento de agua cruda para abastecer por gravedad a panta durante as 24 horas de día. d. Condiciones de agua cruda Las condiciones de agua cruda que más afectan a eficiencia de fitro son a temperatura, a concentración de nutrientes y de sustancias tóxicas y os afuentes con turbiedad y coor atos. A continuación se describe n brevemente: Temperatura: Dado que en e fitro se desarroa un proceso bioógico, se ve afectado por as variaciones de temperatura y puede reducir 50% de su eficiencia cuando se opera a menos de 5 o C. Concentración de nutrientes: La veocidad de desarroo de a formación bioógica en e fitro depende de a concentración de nutrientes en e agua, debido a que ésta es a fuente de aimentación de os microorganismos. 54

9 Concentración de agas: Las agas son importantes en a formación de schmutzdecke. Pero su crecimiento excesivo debido a a eevada disponibiidad de uz y nutrientes, como presencia de fosfatos y nitratos en e agua, puede crear serios probemas de operación y en a caidad de agua tratada. E contro de a formación de agas es difíci, pero puede soucionarse mediante e contro de nutrientes en a fuente y de efecto de a uz que cubre os reservorios de agua cruda. Concentraciones atas de turbiedad: La capacidad de os fitros entos para reducir a turbiedad cuando ésta es muy eevada es imitada. Eo se debe a que una ata turbiedad causa enodamiento de a superficie de fitro, disminuye a capacidad de formación de a capa bioógica y reduce drásticamente a duración de a carrera de fitración, o cua además de afectar a caidad de agua producida, incrementa os costos de operación y mantenimiento. e. Materia fitrante Es necesario considerar una pataforma coindante con os fitros para efectuar a operación de avado y secado de a arena. Asimismo, se requiere un depósito techado para guardar a arena embosada y as herramientas, y cercar as instaaciones de a panta para evitar e acceso a niños y animaes. Operación y mantenimiento Las tareas rutinarias de operación comprenden os ajustes y medición de cauda; monitoreo de a caidad de agua producida; impieza de a superficie de a arena, que se efectúa por rascado de a porción superior de fitro (aproxima-damente 5 cm de arena); avado y amacenamiento de a arena, y a posterior reconstrucción de echo fitrante. Este periodo entre impiezas, amado carrera, es variabe. A veces puede ser necesario reaizara cada tres o cuatro semanas y en otras circunstancias, pasados muchos meses. La adecuada operación y mantenimiento determinan a eficiencia de fitro, principamente en a etapa de puesta en marcha o inicio de a operación de fitro nuevo. Durante a operación norma, es importante e estado de maduración de a capa bioógica, a frecuencia de os raspados, e período de duración de cada operación de impieza y a forma en que se efectúe e rearenado de fitro. Con reación a a puesta en marcha, es necesario tener presente que a arena nueva no reduce a contaminación bacterioógica y que es necesario desechar e efuente inicia hasta comprobar que se está obteniendo un grado de eficiencia aceptabe. Sin embargo, este proceso puede aceerarse sembrando e fitro con arena madura proveniente de otros fitros en operación. E raspado de echo fitrante debe iniciarse cuando e nive de agua en a caja de fitro ega a máximo y e agua empieza a rebosar por e aiviadero. Para disminuir e impacto sobre a eficiencia de tratamiento durante a operación de raspado de fitro, es necesario que esta operación se ejecute en un soo día para evitar a mortandad de os microorganismos benéficos en a capa de arena que permanecerá en e fitro y acortar e período de remaduración. En a operación de rearenado, esto es, cuando a atura de echo ha egado a mínimo aceptabe (0,30 m) y hay que restituir a a arena e espesor de diseño, es importante apicar e método de trinchera. Para eo, a arena de fondo que está semicomatada se coocará en a 55

10 superficie de fitro, sobre a arena nueva, a fin de aceerar e período de maduración de echo de arena. Por o menos cada cinco años se reaizará e avado competo de fitro de a siguiente manera: se retira con mucho cuidado a arena y a grava para no mezcaras; se ava a arena; se cepian as paredes de a caja de fitro; se reacomoda e drenaje, y se vueve a coocar e echo de arena y a grava. Si ha habido pérdida de arena y grava, será necesario reponera. Si hay grietas en as paredes o en e fondo, deberán resanarse antes de coocar e echo fitrante. Cuando os sistemas están bien diseñados, operados y mantenidos, e efuente de as pantas de fitración enta requiere de dosis muy bajas de coro como útima barrera; prácticamente sóo para asegurar que e agua conserve su caidad bacterioógica hasta ser consumida. Es un agua con muy bajo riesgo sanitario. Criterios para e monitoreo y evauación La turbiedad y a contaminación bacterioógica de agua son os principaes parámetros para a caracterización de agua superficia en as áreas ruraes. Cuando e tratamiento se combina con un prefitro o sedimentador, e objetivo específico de estas unidades es reducir a turbiedad, mientras que e de fitro ento es reducir a contaminación. Cuando sóo se cuenta con un fitro ento, éste debe cumpir os dos objetivos. Un programa de monitoreo mínimo para controar una panta de fitros entos debería considerar a toma de muestras de agua cruda y tratada para constatar a caidad de a materia prima que está ingresando a sistema y a de producto fina obtenido. Las mediciones de turbiedad son simpes y pueden ser efectuadas por un operador capacitado. Las mediciones diarias durante a época de uvias permiten: a) Evauar a caidad de agua cruda. b) Estabecer y supervisar e rendimiento de a panta. c) Desarroar criterios para adecuar a operación de a panta. d) Optimizar as características de as unidades. Ventajas y desventajas de a fitración enta Ventajas La mayor ventaja de esta unidad reside en su simpicidad. E fitro ento sin controador de veocidad y con controes de nive mediante vertederos es muy sencio y confiabe de operar con os recursos disponibes en e medio rura de os países en desarroo. No hay cambios organoépticos en a caidad de agua Las comunidades aceptan e agua tratada por a FLA Desventajas E fitro ento sin pretratamiento, no debe operar con aguas con turbiedad mayor de 20 ó 30 UNT; esporádicamente se pueden aceptar picos de 50 a 100 UNT. La eficiencia de esta unidad se reduce con a temperatura baja. La presencia de biocidas o paguicidas en e afuente pueden modificar o destruir e proceso microbioógico en e que se basa a fitración enta. 56

11 Costos de equipos y de a operación y mantenimiento Los costos de inversión de os fitros entos están determinados, principa-mente, por os costos de cemento, grava, acero de refuerzo, arena de fitro, tuberías, vávuas y demás. Los precios de estos materiaes varían, dependiendo de diversas circunstancias regionaes y ocaes. Por o tanto, o que se presenta a continuación es una estimación de costos de materiaes por unidad de producción para cuatro diseños típicos. Debe tenerse en cuenta que este cuadro está basado en información recogida de un proyecto de fitración enta; no incuye costos de mano de obra ni honorarios de os contratistas. DESCRIPCIÓN Fitro con taudes protegidos Fitro circuar de ferrocemento Fitro circuar de mampostería Fitro de hormigón Costos de Capita en $ por unidad de producción (m 3 /h) $ $ $ $ $ $ $ $ Costo de Operación y Mantenimiento a año 10% de tota de os costos de capita Fuentes de información Cánepa de Vargas, L,; Pérez Carrión, J. Manua I, II y III. Teoría y evauación. Diseño. Operación, mantenimiento y contro. Lima, OPS/CEPIS (1992). Rojas, R.; Guevara, S. Construcción, operación y mantenimiento de fitro de arena. Hoja de Divugación Técnica, 76. Lima, OPS/CEPIS, UNATSABAR (2000). Sosona, F. Fitração dinâmica. Pubicación OPS/Brasi. Serie Brasi Saúde e Ambiente, Documento Técnico S-2 (disponibe en a OPS/CEPIS) (1995). Van Dijk, J.C.; OOmen, J. Fitración enta en arena para abastecimiento púbico de agua en países en desarroo. IRC/OMS/CEPIS. Serie Documentos Técnicos No. 11 (1978). 57