UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL INGENIERIA SANITARIA
TAREA “FILTROS RAPIDOS Y LENTOS DE ARENA”
INSTRUCTOR: ING. Ricardo Herrera Mirón INTEGRANTES: Girón Gómez, Julio César.
GG03047
Campos Espinoza, Sergio Reynaldo.
CE04004
CICLO II / 2013
Ciudad Universitaria, jueves 17 de octubre de 2013.
Contenido FILTRACIÓN LENTA EN ARENA (FLA) ................................................................................................... 5 CARACTERISTICAS............................................................................................................................ 6 FILTROS LENTOS DE ARENA (Para tratamiento colectivo) .............................................................. 6 CARACTERISTICAS............................................................................................................................ 7 COMPONENTES DEL FILTRO ................................................................................................................ 8 PROCESO DE DISEÑO......................................................................................................................... 10 COMPONENTES PRINCIPALES ....................................................................................................... 11 CAPTACIÓN DE AGUA CRUDA Y BOMBEO..................................................................................... 11 Criterios de diseño .................................................................................................................... 11 Criterios de operación y mantenimiento .................................................................................. 15 OBSERVACIONES GENERALES ....................................................................................................... 17 MANTENIMIENTO ......................................................................................................................... 19 LIMPIEZA DEL LECHO DE ARENA ............................................................................................... 19 REARENAMIENTO DE UN FILTRO .................................................................................................. 20 RESULTADOS DE LA FILTRACION LENTA EN ARENA .......................................................................... 23 COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ............................................................................... 24 FILTRACION RAPIDA CON ARENA ...................................................................................................... 27 Ventajas de la filtración rapida ..................................................................................................... 28 Desventajas de la filtración rapida ................................................................................................ 28 FILTRACION RAPIDA .......................................................................................................................... 28 APLICACIONES DE LA FILTRACION RAPIDA.................................................................................... 29 FILTRACION RAPIDA DE AGUA PRETRATADA (AERADA) ............................................................... 29 FILTROS RAPIDOS DE ARENA ............................................................................................................. 30 EL DRENAJE FILTRANTE: FUNCIONES Y TIPOS ............................................................................... 30 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 34 RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 35 BIBLIOGRAFIA. ................................................................................................................................... 36
INTRODUCCION
El presente trabajo consta de la información obtenida de la filtración lenta y rápida en arena, elementos que surgen ante la necesidad que tienen las pequeñas comunidades, de disponer continua y eficientemente de agua potable, es necesario recurrir al estudio y planteamiento de nuevas alternativas de potabilización del agua, alternativas que sean accesibles y económicamente viables, que satisfagan la demanda de agua para su uso doméstico. El abastecimiento de agua para el consumo humano es una de las medidas más relevantes destinadas a evitar la propagación de enfermedades, si se tiene en cuenta que el 80 % de todas las enfermedades y más del 33 % de las muertes en los países en desarrollo están relacionadas con la falta de agua en calidad y cantidad adecuadas. Unas de las alternativas para la potabilización del agua son los métodos de filtración biológica y filtración lenta en arena los cuales son tratamientos simples, económicos y fiables que pueden satisfacer a la comunidad brindando agua potable libre de contaminantes que puedan afectar a su salud. Aunque el uso de filtros biológicos es una técnica muy antigua y empleada, lo que la hace atractiva, en la actualidad, es la utilización de nuevos materiales que reemplazan a los usados en los medios granulares tradicionales, mejorando así su competencia frente a otras alternativas de tratamiento. Las variaciones que podrían hacerse al proceso evidencian un tema poco explorado a nivel mundial constituyéndose en un estudio novedoso. La filtración lenta en arena es una tecnología apropiada para la potabilización del agua en zonas en donde la mano de obra calificada es escasa, costosa y en donde se tiene la disponibilidad de grandes áreas para la instalación de estos sistemas. Estas son unas de las principales ventajas que son inherentes y que la hacen viable para países y comunidades que tienen bajo presupuesto para la operación y mantenimiento.
OBJETIVO GENERAL.
Conocer los distintos parámetros más importantes en los filtros lentos y rápidos de arena que influyen en su diseño y eficacia para el tratamiento de potabilización del agua en zonas rurales.
OBJETIVO ESPECIFICO.
.
Conocer las ventajas de los filtros lentos y rápidos de arena en la purificación del agua.
Analizar los parámetros más importantes para el diseño de filtros lentos y rápidos de arena.
Identificar las limitantes o restricciones en los filtros lentos y rápidos de arena.
Examinar los materiales y componentes que intervienen en la elaboración de un filtro lento y rápido de arena.
FILTRACIÓN LENTA EN ARENA (FLA) El tratamiento del agua en una unidad de FLA es el producto de un conjunto de mecanismos de naturaleza biológica y física, los cuales interactúan de manera compleja para mejorar la calidad microbiológica del agua. Consiste en un tanque con un lecho de arena fina, colocado sobre una capa de grava que constituye el soporte de la arena la cual, a su vez, se encuentra sobre un sistema de tuberías perforadas que recolectan el agua filtrada. El flujo es descendente, con una velocidad de filtración muy baja que puede ser controlada preferiblemente al ingreso del tanque.
FILTROS LENTOS DE ARENA (Para tratamiento domiciliar) Una de las primeras técnicas aplicadas para la depuración de las aguas fue la de filtros lentos de arena. Por medio de su utilización, fue posible eliminar impurezas existentes y reducir drásticamente la cantidad de personas padeciendo enfermedades como el cólera. Este principio para el tratamiento de aguas ha sido adaptado para dar soluciones a pequeña escala, y de uso unifamiliar. De esta forma, aquellas aguas que tengan un aspecto turbio, podrán ser pasadas por materiales filtrantes y lograr mediante ese proceso mejores condiciones. En estos filtros, se desarrollan bacterias colaboradoras útiles para la eliminación de parásitos causantes de enfermedades que podrían tener las aguas turbias a filtrar.
CARACTERISTICAS • Estos filtros se fabrican a nivel casero en recipientes de plástico (barriles), de ferro cemento o de concreto. • Para que un filtro nuevo pueda eliminar bacterias y virus deberá ponerse a funcionar (de 2 a 3 semanas) antes de que esta cualidad se desarrolle. • El filtro no debe usarse como recipiente para el almacenamiento de agua. • Alrededor del tubo de drenaje, en el fondo del tanque, se colocan 7,5 cm de grava (piedrín), sobre ésta se colocan 5 cm de arena gruesa y sobre ésta, se ubica la arena fina. • Para mantener siempre húmedo el material filtrante, la salida del tubo por el que se sirve el agua filtrada deberá estar por lo menos 5 cm más alto que el nivel superior de la arena. • El agua filtrada puede adicionalmente ser desinfectada por medio de la aplicación de cloro. • Cuando la velocidad de la salida del agua disminuye demasiado, es tiempo de darle mantenimiento.
FILTROS LENTOS DE ARENA (Para tratamiento colectivo) La filtración lenta es uno de los procesos de tratamiento de agua más efectivos, simples y económicos. Es apropiado para áreas rurales. Su diseño sencillo facilita el uso de materiales y mano de obra locales. Requiere poco o ningún equipo especial. Este proceso difiere de la filtración rápida en arena, en su naturaleza biológica, su alta eficiencia y su facilidad de operación y mantenimiento para pequeñas comunidades. Al filtrarse el agua por este sistema se mejora considerablemente su calidad al eliminarse la turbiedad y reducirse considerablemente el número de microorganismos (bacterias, virus.). Debido al percolación del agua a través movimiento lento del agua y al alto tiempo de retención, este proceso se asemeja a la del subsuelo.
CARACTERISTICAS • El agua pasa lentamente a través de un lecho de arena fina a razón de 0,1 a 0,3 m3/m2/hora. • Solo funcionan adecuadamente con agua de baja turbiedad (entre 20 y 30 UNT). • Requieren una área entre 0,02 y 0,08 m2 por persona. • En la superficie del lecho se forma una película filtrante (schmutzdecke) que consiste en material orgánico e inorgánico retenido y una amplia variedad de microorganismos activos biológicamente, los cuales descomponen la materia orgánica. • La actividad biológica se extiende hasta unos 0,4 m de profundidad. • La limpieza del filtro se hace raspando unos pocos centímetros de la parte superior del lecho filtrante y reiniciando luego el proceso de filtración.
Figura Corte longitudinal de un FLA
COMPONENTES DEL FILTRO Básicamente, un filtro lento de arena consta de una estructura que contiene:
Una capa sobrenadante de agua cruda. Un lecho de arena filtrante. Un sistema de drenaje. Una estructura de entrada y salida. Un conjunto de dispositivos reguladores y de control.
El filtro lento modificado que recomienda el CEPIS elimina los dispositivos de control vulnerables y tiene las siguientes características: La estructura de ingreso consiste en una cámara de distribución con vertederos rectangulares para distribuir el caudal uniformemente a todas las unidades del sistema y válvula de limpieza. Si no se han considerado unidades previas para acondicionar la calidad del agua, en esta cámara se incluirá el sistema de ajuste y medición de caudal, consistente en una válvula y un vertedero triangular. Las cajas de los filtros deberán ser, por lo menos, dos y estarán compuestas de un sistema de drenaje, una capa de grava graduada, una capa de arena, una capa de agua y el borde libre.La estructura de salida es común a dos unidades y comprende un vertedero de control de nivel máximo de operación, una caja de desagüe, dos cámaras de salida cada una con un vertedero de control de nivel mínimo, una válvula para comunicar la cámara de salida con la de desagüe, una válvula para intercomunicar las cámaras de salida, una cámara de reunión del efluente y dos válvulas para eliminar el efluente inicial
Figura 1 Filtro lento modificado
Figura 2 Vista de un filtro lento
Figura 3 Estructura de salida
Figura 4 Estructura de salida
Ventajas La mayor ventaja de esta unidad reside en su simplicidad. Este filtro sin controlador de velocidad y con controles de nivel mediante vertederos es muy sencillo y confiable de operar con los recursos disponibles en el medio rural de los países en desarrollo. Restricciones El filtro lento solo no debe operar con aguas con turbiedades mayores a 20 ó 30 UNT, esporádicamente se pueden aceptar picos de 50 a 100 UNT. La eficiencia de esta unidad se reduce a temperaturas inferiores a los 4ºC. La presencia de biocidas o plaguicidas en el afluente pueden modificar o destruir el proceso microbiológico que sirve de base a la filtración lenta.
PROCESO DE DISEÑO El diseño de un proyecto de filtración lenta en arena consta en dos etapas Básicas en su proceso; en la primera fase se busca:
Precisar la capacidad del sistema de almacenamiento Aprovechar la infraestructura de abasto existente. Identificar la alternativa de pre tratamiento que se va a proyectar. Estimar los costos de construcción, operación y mantenimiento.
Los resultados obtenidos en esta primera fase pueden utilizarse como base para captar recursos, planear y organizar el proyecto. La segunda fase, se orienta a: Conceptualización y ejecución del diseño estructural. Definición de especificaciones técnicas tanto de materiales como de equipos utilizados en el diseño.
COMPONENTES PRINCIPALES
Para diseñar un sistema de abastecimiento de agua, se debe definir la capacidad de la planta, es decir, la cantidad de agua requerida por día o por demanda máxima. Este parámetro depende de factores como periodo de diseño, número de usuarios, cantidad a suministrarse por persona, este estudio no será realizado este documento debido a que nuestro estudio está orientado hacia los componentes de los filtros. Una vez definido el tratamiento requerido y la demanda promedia diaria, se pueden determinar los componentes principales del sistema y sus dimensiones.
CAPTACIÓN DE AGUA CRUDA Y BOMBEO En sistemas de abastecimiento de agua por gravedad, la captación se diseña para funcionar 24 horas. En sistemas que utilizan bombas, el tiempo de funcionamientos oscila entre 8 a 16 horas por día, dependiendo el tamaño de la comunidad, energía eléctrica y mano de obra o combustible.
Criterios de diseño El medio filtrante debe estar compuesto por granos de arena duros y redondeados, libres de arcilla y materia orgánica. La arena no debe contener más de 2% de carbonato de calcio y magnesio. Experimentalmente se ha encontrado que el diámetro efectivo de la arena debe ser del orden de 0.15 a 0.35 mm. La profundidad del lecho puede variar entre 0.50 y 1.00 m, pudiendo el filtro operar con un espesor mínimo de 0.30 m (5). El coeficiente de uniformidad puede ser menor de 3.0, se recomienda un rango de 1.8 a 2.0. En última instancia, cualquier material inerte puede utilizarse como medio filtrante. La capa soporte debe reunir características similares a las indicadas para la arena. Debe considerarse una altura mínima de 0.30 m de grava dispuesta en tres capas de diferente granulometría. La grava más fina debe seleccionarse, teniendo en cuenta el tamaño de los granos de arena y la más gruesa de acuerdo al tamaño de los orificios del drenaje.
Cuadro 2. Granulometría de la capa soporte
Capas
Diámetros mínimos
Diámetros máximos
Altura
(mm)
(mm)
(cm)
1
0.5-2.0
1.5-4.0
5.0
2
2.0-2.5
4.0-15.0
5.0
3
5.0-20.0
10.0-40.0
10.0
El drenaje puede estar conformado por drenes o por ladrillos de construcción. Los tubos de drenaje están compuestos de un dren principal y ramificaciones o drenes laterales. Los drenes laterales se unirán al principal mediante tes o cruces y podrán ser de concreto, de cerámica o de PVC. Los drenes laterales se instalarán dejando juntas abiertas de 2 cms o se perforarán orificios de 2 a 4 mm de diámetro, separados de 0.10 a 0.30 m centro a centro y dispuestos en la parte inferior de los drenes. La separación entre los drenes laterales debe ser de 1/16 de su longitud o como máximo de 2.5 m. Con respecto a la pared, se considerará una separación de 1/32 de su longitud o como máximo de 1.25 m. - El dimensionamiento de los drenes se efectuará con el criterio de que la velocidad límite en cualquier punto de estos no sobrepase de 0.30 m/s. La relación de velocidades entre el dren principal (Vp) y los drenes secundarios (Vs) debe ser de: Vp/Vs < o = 0.15, para obtener una colección uniforme del agua filtrada. La pérdida de carga producida por los drenes no debe exceder de un 10% de la pérdida de carga del medio filtrante, cuando la arena está limpia y su altura es mínima. Puede estimarse mediante la siguiente ecuación: h = 0.33 l 1/dh .v2/2g Siendo (l) el coeficiente de fricción de Colebrook, (dh) el diámetro hidráulico y (v) la velocidad del dren, (dh= 4Ad/p). En los drenajes de ladrillo, los bloques que van sobre el fondo de la caja del filtro deben asentarse con mortero y los que techan los canales se colocarán dejando separaciones o aberturas de 2 cms para que pase el agua filtrada.
Se deben proyectar, por lo menos, dos unidades funcionando en paralelo, para poblaciones de menos de 2,000 habitantes. En poblaciones mayores se decidirá el número de unidades, teniendo en cuenta el tamaño máximo de 50 m 2 para que sea factible completar el mantenimiento en 24 horas. La velocidad de diseño también es importante al decidir el número de unidades. Con velocidades mayores de 0.30 m/h deberá considerarse un mínimo de tres unidades. El área de cada unidad (As) es una función de la velocidad de filtración (Vf), del caudal (Q), del número de turnos de operación (C) y del número de unidades (N). As= Q. C/N.Vf. Con operación continua el área de la unidad será igual a As= Q/N. Vf. Cuando el filtro lento es la única unidad de tratamiento, la velocidad será de 0.10 m/h. Se podrán considerar velocidades mayores, cuando se consideren otros procesos preliminares. Cuadro 3. Velocidad de filtración de acuerdo al número de procesos preliminares
Procesos
Vf (m/h)
Filtración lenta(FL)
0.10 - 0.20
Sedimentación (S) o pre filtración (PF) + FL
0.15 - 0.30
S + PF + FL
0.30 - 0.50
La altura del agua sobre el lecho filtrante puede variar entre 1.0 y 1.50 m. Se interconectaran las unidades a través de la cámara de salida para efectuar el llenado ascendente del filtro. Cuando se tenga suficiente presión en el afluente al filtro, se podrá implementar la limpieza por el método de "trillado". Para esto, deberá considerarse un ingreso de agua tratada (o por lo menos prefitrada) por el fondo de la unidad, un canal de recolección de agua de limpieza y su correspondiente válvula de evacuación.
Las paredes interiores de la caja, en el tramo ocupado por el lecho filtrante, deberán presentar acabado rugoso para impedir la producción de cortocircuitos. El nivel mínimo del filtro se controla mediante el vertedero de salida, el cual se debe ubicar en el mismo nivel o 0.10 m. por encima de la superficie del lecho filtrante. El control de nivel máximo dentro de la caja del filtro se efectúa mediante un vertedero de alivio ubicado sobre las cámaras de desagüe. Considerar una plataforma colindante con los filtros, para efectuar la operación de lavado y secado de la arena. Deberá considerarse una unidad para lavar la arena y un depósito techado para guardar la arena embolsada y las herramientas. Cercar las instalaciones de la planta para evitar el acceso a niños y animales.
Criterios de operación y mantenimiento Los filtros lentos en arena desarrollan una capa biológica sobre la arena, compuesta por millones de microorganismos encargados de producir la limpieza biológica y desinfectar el agua. Para que el filtro funcione adecuadamente se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones: Siempre debe permanecer como mínimo una capa de agua de 10 centímetros por encima de la capa de arena, ya que la capa biológica sin agua se muere y el agua no sale apta para consumo humano. Para el llenado del filtro se recomienda amortiguar la caída del agua sobre la capa de arena y evitar dañar la capa biológica que es bastante frágil. Recuerde que el agua debe estar clarificada antes de llenar el filtro.
El filtro debe permanecer en un lugar fresco y con poca luz para evitar el crecimiento de algas que alteran el buen funcionamiento de la capa biológica. La limpieza del filtro lento en arena se debe realizar cuando el flujo de agua a través de éste es muy poco, es decir, cuando la cantidad de agua de salida por la llave es mínima. La limpieza del filtro consiste en remover una capa de arena, desocupándolo previamente. Con un palustre raspe por encima la capa de arena fina sin hacer fuerza. Este raspado es de aproximadamente un centímetro de espesor. Vuelva a llenar el filtro hasta el nivel original y espere de 5 a 10 días para que se forme nuevamente la capa biológica, que es la que desinfecta el agua. Esta limpieza se realiza aproximadamente cada 2 o 3 meses, dependiendo del buen mantenimiento que se le dé al filtro. Después de 4 o 5 limpiezas, es necesario realizar una mejora completa al filtro. Para esta tarea, abra la llave de salida y desocupe el filtro. Saque la arena restante del filtro y lávela con agua limpia. Vuelva a lavar y desinfectar la grava y la gravilla, como se mencionó anteriormente. Enjuague el tanque. Recupere la arena que retiró en las primeras limpiezas y lávela adecuadamente Coloque nuevamente las capas de grava, gravilla y arena. Llene el filtro con agua clarificada y espere de 5 a 10 días para consumir el agua.
Las tareas rutinarias de operación se limitan a ajustes y medición del caudal, monitoreo de la calidad del agua producida, limpieza de la superficie de la arena, lavado y almacenamiento de la arena y la reconstrucción del lecho filtrante. - La limpieza del lecho filtrante debe iniciarse cuando el nivel del agua en la caja del filtro llega al máximo y el agua empieza a rebosar por el aliviadero. Para la limpieza de la superficie del lecho filtrante hay dos métodos manuales disponibles, que son aplicables al medio rural: "raspado” y "trillado". El primero es el método convencional que consiste en retirar una capa superficial de alrededor de 2 cms de espesor, cada vez que la carrera del filtro ha llegado a su fin. El método de "trillado" normalmente se puede aplicar a cada filtro varias veces al año, en la medida en que sea necesario, cada vez que el filtro alcance su valor límite de pérdida de carga. El procedimiento original fue desarrollado en la Planta de Tratamiento de West Hartford en filtros grandes, utilizando un tractor que jala una herramienta similar al arado o trilla utilizado en la agricultura. Este método se puede ejecutar manualmente en filtros medianos y pequeños con algunas adaptaciones. El método consta de dos etapas: trillado en húmedo y trillado en seco. Durante la etapa de trillado en húmedo se revuelven de 20 a 30 cms de profundidad de arena mediante una trilla o trinche, mientras el agua fluye sobre la superficie del filtro, llevándose la suciedad acumulada y el sedimento que ha sido desprendido y re suspendido por el trillado. En la segunda etapa se elimina la aplicación de agua, se continúa revolviendo la arena para aflojar la superficie del lecho y se prepara al filtro para entrar en servicio. En base a experiencias efectuadas en el Alto Mayo (7), ITDG recomienda aplicar el método por separado, dependiendo de la duración de la carrera del filtro. El método de trillado en seco se aplicará cuando la carrera de filtración previa haya sido menor de un mes. Se drena el filtro dejando el agua 15 cms por debajo de superficie de la arena, con un pico se des compacta la superficie de la arena en una profundidad de 15 cms, posteriormente se esponja con un rastrillo y se empareja para dejar la superficie uniforme en todo el filtro y se coloca nuevamente en servicio. El método de trillado en húmedo se aplicará cuando la duración de la carrera previa del filtro haya sido inferior a un mes. Haciendo ingresar el agua en contracorriente, se rastrilla el lecho en toda su profundidad (30 a 40 cms), procediendo por franjas. Se rastrillan unos 15 a 20 cms de profundidad y se retira este material y se coloca sobre la arena del costado.
Se continúa rastrillando el material restante hasta llegar a la grava, luego vuelve a su sitio la arena retirada y se repite el procedimiento hasta completar todo el lecho. Esta operación ejecutada por dos personas que se relevan en el rastrillado puede durar aproximadamente dos horas. Se cierra la válvula de ingreso ascensional del agua y a continuación se aplica el método de trillado en húmedo. Por lo menos, cada cinco años se realizará el lavado completo del filtro. Se retiran con mucho cuidado la arena y la grava para no mezclarlas y se lavan, se cepillan las paredes de la caja del filtro, se reacomoda el drenaje y se vuelve a colocar el lecho de arena y grava. Si ha habido pérdidas de arena y grava será necesario reponerla. Si hay grietas en las paredes o en el fondo, deberán reponerse antes de colocar el lecho filtrante.
OBSERVACIONES GENERALES Antes de consumir el agua proveniente del filtro lento de arena, es necesario cambiar el agua cada dos días durante 15 a 20 días aproximadamente para permitir la formación de la capa biológica. En climas fríos, este proceso tarda aproximadamente 20 días y en climas cálidos entre 10 y 15 días. OPERACIÓN PUESTA EN SERVICIO DE UN FILTRO NUEVO El procedimiento para poner en servicio un filtro nuevo lo realiza el operador, el procedimiento consiste en sangrar el filtro es decir asegurarse que no quede aire acumulado en el sistema, esto se hace dejando pasar agua a través del filtro por un periodo de tiempo, luego cerrar las válvulas de desalojo y llenar el filtro hasta una altura de 0.1 a 0.2 m sobre la superficie de arena, esto puede tomar varias horas.
Tabla 1. Procedimiento para poner en servicio un filtro nuevo. PUESTA EN MARCHA DE UN FILTRO La operación más importante en esta etapa es la del llenado del manto de arena. El mismo se realiza lentamente saturado con flujo ascendente, aproximadamente entre 0,10 y 0,20m por hora, hasta un nivel del sobrenadante que evite la erosión de la superficie filtrante por la acción del chorro de ingreso. Otro aspecto a considerar en esta etapa es la maduración del filtro o sea la formación de la capa biológica, que puede ser de varias semanas y es dependiente de la temperatura (a mayor temperatura menor periodo de maduración y viceversa). Cuando se ha alcanzado la altura deseada sobre la superficie de arena, se deja llenar el filtro con una velocidad lenta para no arrastrar la arena cercana a la entrada, aumentándose a medida que sube el nivel de agua, cuando este nivel llegue al nivel de trabajo del filtro este puede ponerse en funcionamiento.
MANTENIMIENTO Tareas de mantenimiento diario relacionadas a la operación de los filtros consisten en chequear que el flujo de entrada no este obstruido, limpiando material flotante y basura de la superficie del agua. Las bombas, canales y otros equipos deben ser verificados diariamente que estén funcionando correctamente. Los medidores de flujo deben ser monitoreados constantemente.
LIMPIEZA DEL LECHO DE ARENA CONSIDERACIONES PARA EL LAVADO DE LA ARENA
Cuando la arena es muy costosa o difícil de obtener, se recomienda lavar y almacenar la arena proveniente de los raspados para ser usada en el rearenamiento del filtro.
La arena raspada debe lavarse tan pronto como se extrae del filtro, porque tiene materia orgánica adherida y este material al descomponerse produce sustancias con olores y sabores muy difíciles de remover.
Para lavar la arena en una planta pequeña, se puede emplear un simple canal. El flujo de agua mantiene la arena y los residuos en suspensión. La arena sedimentara dentro de una caja y los residuos serán removidos por la corriente de agua.
Tabla 2. Procedimiento para limpiar un lecho filtrante.
REARENAMIENTO DE UN FILTRO La reposición de arena es necesaria cuando los raspados has reducido el espesor del lecho a 50-60 cm. Esta operación se debe realizar cada dos o tres años. Se debe tomar bastante antelación al realizar este proceso ya que se necesita parar la producción de agua de ese filtro y podrá haber riesgos de escases de agua es por eso que se debe realizar esto en épocas de poca demanda de agua. En condiciones normales no debe haber necesidad de retirar toda la arena, a menos que el sedimento haya penetrado profundamente. Se deberá extraer totalmente también cuando el contenido de bicarbonato o carbonato en el agua sea alto, esto produce que la arena se una en una masa impermeable. Por lo menos, cada cinco años se realizará el lavado completo del filtro.
Se retiran con mucho cuidado la arena y la grava para no mezclarlas y se lavan, se cepillan las paredes de la caja del filtro, se reacomoda el drenaje y se vuelve a colocar el lecho de arena y grava. Si ha habido pérdidas de arena y grava será necesario reponerla. Si hay grietas en las paredes o en el fondo, deberán reponerse antes de colocar el lecho filtrante.
Figura 5. Rearenamiento de un filtro lento
Figura 6. Sistema de rearenamiento de un filtro lento
Figura 7. Herramientas usadas para la operación y mantenimiento LIMPIEZA TOTAL DE CADA FILTRO Se recomienda que en forma secuencial, en un periodo prolongado generalmente no inferior a cinco años, se limpie todos los elementos de la caja filtrante: lecho de arena, manto sostén de grava, sistema de drenaje, paredes y solera de la unidad, cámaras, vertederos, etc.
RESULTADOS DE LA FILTRACION LENTA EN ARENA El mejoramiento en la calidad del agua mediante filtración lenta en arena difiere de un lugar a otro porque el proceso depende de muchos factores, como calidad del agua cruda, el tamaño de los granos de arena, la velocidad de filtración, la temperatura y el contenido de oxigeno del agua. Un filtro lento maduro y bien operado puede reducir entre a 1 a 3 log la concentración de enterobacterias. Las cifras corresponden a filtros que están operando bajo condiciones variables, por lo que los resultados varían notablemente. La selección del tamaño de los granos de arena es un factor crucial en el rendimiento del filtro, la selección de un tamaño efectivo de grano fino mejorara el rendimiento del proceso de tratamiento, aunque aumentara la perdida inicial de la carga hidrostática.
Figura 8. Efecto de purificación de un filtro maduro.
COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO El costo de operación de un filtro lento de arena depende de los costos de mano de obra, y de la energía eléctrica si se requiere bombeo, pero no se pueden dar cifras generales debido a las variaciones en las situaciones locales. Por ejemplo, sistemas pequeños de suministros de agua por gravedad requieren menor asistencia y mayor mano de obra solo cuando se requiera limpiar el filtro. En cambio, las plantas grandes necesitan de un operador y vigilancia además de obreros que limpien los filtros cuando se obstruyan. Los costos de mantenimiento incluirán reparaciones menores a los filtros, y el reemplazo de arena por raspado. Otros costos de mantenimiento se relacionan con el reemplazo de pocas partes movibles del filtro.
CRITERIOS DE INSTALACIÓN Para la instalación de la planta deben considerarse los siguientes aspectos: Ubicación Escoger la zona de mejor acceso, con vías de comunicación que faciliten su posterior construcción, operación y mantenimiento.
El agua subterránea debe estar ausente o muy profunda. La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturales o humanos. De preferencia, la topografía de la zona seleccionada debe reunir los desniveles necesarios para que el sistema pueda operar totalmente por gravedad. Con relación a la comunidad Efectuar estudios sociológicos para determinar costumbres y creencias que puedan afectar la aceptación del sistema. Comprobar la información demográfica disponible. Determinar recursos humanos y materiales disponibles para adecuar el diseño del sistema. Estudiar la incidencia de enfermedades de origen hídrico y presencia de vectores. Concepción del sistema - Para que la operación del sistema sea confiable debe evitarse el uso de dispositivos para elevar el nivel del agua. De esta manera, la operación del sistema no dependerá de suministros eléctricos y repuestos sofisticados que normalmente no están localmente disponibles e incrementan el costo de mantenimiento del sistema. - Si tuviera que elevarse el nivel del agua por razones topográficas, se debería efectuar una sola etapa de bombeo, elevando el agua cruda hasta un nivel, desde el cual pueda distribuirse por gravedad al reservorio y a la red. Este sistema es menos vulnerable que el de dos etapas. Deberá considerarse en primer lugar la alternativa de implementar bombas manuales y, en última opción, la utilización de bombas operadas mecánicamente. Este tipo de bombas sólo deberán considerarse en casos especiales, en los que se pueda garantizar la disponibilidad de fuentes de energía confiable y una infraestructura para el mantenimiento de las bombas. - Preferentemente, el filtro lento debe operar en forma continua, esto permite unidades más pequeñas y abastecimiento continuo de nutrientes y oxígeno necesarios para mantener la capa biológica. Para garantizar esta situación, cuando se tenga una etapa de bombeo, es recomendable construir un tanque de almacenamiento de agua cruda para abastecer por gravedad la planta durante las 24 horas.
Criterios para monitoreo y evaluación
La turbiedad y la contaminación bacteriológica del agua son los principales parámetros para la caracterización del agua superficial en las áreas rurales. Cuando el tratamiento es combinado: prefiltro o sedimentador + filtro lento, el objetivo específico de las primeras unidades es reducir turbiedad y el del filtro lento reducir contaminación. Cuando sólo hay una unidad, ésta debe cumplir los dos objetivos. Un programa de monitoreo mínimo para controlar una PFL debería considerar la toma de muestras de agua cruda y tratada para constatar la calidad de la materia prima que está ingresando al sistema y la del producto final obtenido. Las mediciones de turbiedad son simples y las puede efectuar un operador bien adiestrado. Las mediciones diarias durante la época de lluvias, permiten evaluar: a) La calidad del agua cruda. b) Establecer y supervisar el rendimiento de la planta. c) Desarrollar criterios para adecuar la operación de la planta. d) Optimizar las características de las unidades.
FILTRACION RAPIDA CON ARENA FILTRACIÓN DIRECTA La solución adecuada para tratar aguas superficiales de baja turbiedad y color es aquella conocida como filtración directa. En general, la unidad de filtración está precedida por la mezcla rápida y la pre floculación o solamente por la mezcla rápida. Cuando la fuente de abastecimiento es un lago, la presencia de algas en cantidades superiores a 1.000 unidades por mililitro puede reducir significativamente la carrera de filtración. La mayor parte de las investigaciones realizadas con instalaciones de filtración directa, como los trabajos de Monscvitz y colaboradores, Culp, Tredgett, Hutchison y colaboradores, Tate y colaboradores y Di Bernardo, han mostrado que la turbiedad del agua cruda debe ser inferior a 20 UNT, color inferior a 40 UC y, siempre que sea posible, utilizar pequeñas dosis de polímeros sintéticos o naturales.
Clasificación de la filtración directa Teniendo en cuenta el sentido de la filtración, esta puede ser descendente, ascendente o ascendente-descendente. Para cada uno de estos tipos de filtración, los procesos que podrían estar involucrados son los siguientes: Filtración directa descendente: mezcla rápida y filtración descendente o mezcla rápida, prefloculación y filtración descendente. En este último caso, la necesidad de incorporar la prefloculación se define en el ámbito del laboratorio. Para el caso de filtración ascendente, los procesos involucrados serían mezcla rápida seguida de la filtración ascendente. En este caso, no cabría la posibilidad de considerar la prefloculación, pues esta se estaría produciendo necesariamente al pasar el agua por el lecho de soporte del filtro, el mismo que se estaría comportando como un floculador de medio poroso. Este tipo de filtración tiene una mayor capacidad de remoción que uno de flujo descendente y la explicación está en que la filtración se realiza en el sentido decreciente de la granulometría, con lo que se aprovecha mejor toda la capa filtrante. Adicionalmente, este tipo de filtración presenta un crecimiento menosacentuado de la pérdida de carga a lo largo de la carrera de filtración. La filtración directa ascendentedescendente tiene como procesos la mezcla rápida y la filtración ascendente seguida de la filtración descendente. Este tipo de unidades tienen una doble barrera para la remoción de partículas. Por lo tanto, pueden operar con cargas mayores a las de los filtros de flujo ascendente.
Ventajas de la filtración rapida a) El costo de construcción de la planta de tratamiento puede disminuir hasta en 50% con respecto al de una planta convencional. b) Menor costo de operación y mantenimiento. c) Reducción sustancial del consumo de coagulante. d) Menor volumen de lodo producido en la planta. e) Facilidad en el tratamiento de agua cruda con baja turbiedad.
Desventajas de la filtración rapida a) Dificultad en el tratamiento de agua con alto contenido de color o turbiedad. b) Necesidad de monitoreo continuo o control riguroso de los principales parámetros de calidad del agua cruda y tratada. c) El tiempo de retención total para el tratamiento es relativamente corto, lo que implica que debe reaccionarse rápidamente ante las modificaciones de calidad del agua cruda. d) Posibilidad de paralización temporal de la planta, debido a errores en la dosificación de coagulante.
FILTRACION RAPIDA Para la filtración rápida comúnmente se usa la arena como el medio de filtro, pero el proceso es bastante diferente a la filtración lenta en arena. Esto es debido a que se usa arena mas gruesa con un tamaño efectivo de grano en la escala de 0.4-1.2 m3/m2/hora (120-360 m3/m2/dia).
APLICACIONES DE LA FILTRACION RAPIDA Hay varias aplicaciones diferentes de la filtración rápida en el tratamiento de agua para abastecimientos de agua de bebida. En el tratamiento de aguas subterráneas se usa la filtración rápida para remover el hierro y el manganeso. Para ayudar al proceso de filtración, frecuentemente se provee la aeración como pre tratamiento para formar compuestos insolubles de hierro y manganeso.
FILTRACION RAPIDA DE AGUA PRETRATADA (AERADA)
Para aguas de turbiedad baja como la que se halla frecuentemente en lagos y algunas veces en ríos, la filtración rápida debe ser capaz de producir agua clara, la cual, sin embargo, puede contener aun bacterias patógenas y virus. Entonces es necesario un tratamiento final, tal como la clorinacion, para obtener agua bacteriológicamente segura. En el tratamiento de agua de rio con turbiedad elevada, se puede usar la filtración rápida como pre tratamiento para reducir la carga en los filtros lentos de arena o se le puede aplicar para el tratamiento de agua que ha sido clarificada mediante coagulación, floculación y sedimentación. En tales casos se requiere nuevamente una clorinacion final.
FILTROS RAPIDOS DE ARENA La calidad de los filtros de agua potable para la eliminación de sólidos en suspensión depende fundamentalmente del diseño del drenaje del filtro y el soporte para el medio filtrante. En la actualidad existen diversas tecnologías disponibles de fondo filtrante rápido por gravedad, como el LP Block (Bloque de Bajo Perfil) cuya primera instalación en España se puso en servicio en marzo de 2007. El lavado total del medio es la clave para que un filtro rápido por gravedad funcione eficaz y eficientemente en todas las situaciones de carga. Es necesario contralavar los filtros por gravedad para eliminar los sólidos depositados en el medio durante el proceso de filtración. Hace falta un flujo ascendente del agua o una combinación de aire y agua para fluidificar y limpiar el medio. Si bien el funcionamiento de los filtros rápidos por gravedad es importante para que el medio filtrante esté limpio, existen pruebas de que la calidad de la filtración y de contralavado depende en gran medida del diseño del drenaje del filtro y el soporte para el medio filtrante. Se ha demostrado que el reciente diseño de un drenaje dual lateral y paralelo proporciona una distribución uniforme del agua y el aire de contralavado. En el drenaje dual lateral y paralelo, se emplean placas de plástico sintetizado para sustituir a las capas de soporte de grava en los filtros. También se utilizan depósitos compuestos con distintas porosidades.
EL DRENAJE FILTRANTE: FUNCIONES Y TIPOS Los principales componentes de un filtro rápido de arena por gravedad son el medio filtrante, las capas de soporte de grava y el drenaje filtrante. El drenaje sirve para soportar el medio filtrante y la grava; para recoger uniformemente el agua filtrada del fondo del filtro, y para distribuir uniformemente el aire y el agua por todo el fondo del filtro durante el contralavado. Para estas funciones, es fundamental la uniformidad de la filtración y de la distribución del aire y el agua de contralavado. La uniformidad de la distribución del agua de contralavado es especialmente importante. La eficacia del filtro depende de la eficacia del ciclo de contralavado. En el Reino Unido, los principales tipos de drenajes utilizados son el tipo colector y lateral, el tipo purgador o suelo plenum, y el drenaje de bloque de tipo dual lateral y paralelo. Este último es relativamente nuevo en el mercado y se está utilizando cada vez más. Tipo colector y lateral El tipo de drenaje más sencillo es el de tipo colector y lateral (figura 1). En este tipo de drenaje, el agua de contralavado entra en el fondo filtrante a través de un conducto o canaleta presurizada denominado colector. Los conductos denominados
laterales están conectados en los ángulos rectos con el colector y enterrados en las gravas filtrantes. Los laterales distribuyen el agua de contralavado a través de una serie de orificios.
El mayor inconveniente del drenaje colector y lateral es la dificultad para obtener una distribución uniforme del agua de contra- lavado. La alta velocidad del agua de contralavado en el colector hace que la mayor presión estática del colector se produzca al final. Por lo tanto, los laterales del final del colector reciben la mayor parte de caudal. Esto puede solucionarse redistribuyendo la caída de presión del colector a los orificios de los laterales. Para que esta medida resulte eficaz, la caída de presión en todos los orificios debe ser del orden de 2 a 3 m, un índice que incrementa el coste de bombeo. Otro problema que plantea este tipo de drenaje es que en el colector no hay orificios. Al no haber caudal de contralavado, esta área no se limpia correctamente.
Tipo suelo plenum Los drenajes de tipo purgador o suelo plenum consisten en un falso fondo que incluye purgadores o tamices colectores (figura 2). Los sistemas de purgadores
tienen orificios grandes y requie- ren la utilización de grava para mantener el medio fuera del purgador. Los sistemas de tamiz colector utilizan aperturas diminutas para retener el medio filtrante. Los diseños de suelo ple- num pueden experimentar problemas de distribución hidráulica similares a los de los diseños colector y lateral. La velocidad del agua entrante es tal que el caudal es mayor a la entrada y cerca de los laterales (figura 3), a menos que el plenum sea muy grande. Además, a menudo, la separación entre purgadores es bastante grande (hasta 200 mm), abarcando un espacio de fondo filtrante de 40 a 60 por m², y puede haber espacios muertos durante el contralavado. La utilización del drenaje de tipo suelo plenum entraña otros retos. El falso fondo del drenaje es inherentemente susceptible de sufrir un fallo estructural. Durante el contralavado, se ejerce una presión ascendente considerable en la parte inferior del plenum. Esto se agudiza si los tamices colectores se obstruyen con partículas sólidas en suspensión o partículas de arena y gravilla que pueda haber en el agua de contralavado. Los ciclos de con- tralavado repetidos pueden provocar la rotura del fondo debido a la flexión frecuente. La limpieza de los tamices colectores sólo puede efectuarse retirando el medio filtrante. El mantenimiento es complicado porque el acceso a la zona del plenum es peligroso para la salud y la seguridad del personal. Por último, los purga- dores de drenaje de suelo plenum a menudo se dañan durante la instalación del sistema.
Diseño lateral en dos etapas El drenaje lateral en dos etapas ha sido diseñado para solucionar los problemas de los sistemas más habitualmente utilizados. Los problemas de distribución uniforme se solucionan utilizando dos laterales paralelos (figura 4). El lateral (de alimentación) central tiene orificios a lo largo del mismo que llegan a un segundo lateral paralelo denominado lateral de compensación. Durante el contralavado, el agua entra en el lateral del alimentador central desde un conducto o canaleta presurizada y, a continuación, es distribuida al lateral de compensación a través de los orificios de dicho lateral. Al igual que en cualquier lateral sencillo, la mayor velocidad de caudal se producirá a través de los orificios más alejados del punto de entrada. Esta variación de caudal se equilibra en el lateral de compensación, permitiendo al sistema ofrecer una distribución uniforme del agua de contralavado en todo el fondo filtrante, minimizando la caída de presión. La aplicación práctica de este diseño utiliza bloques preformados realizados con polietileno de alta densidad (figura 5) que incorporan el alimentador y los laterales de
compensación dentro de los bloques. Estos bloques se encajan unos con otros y están dispues- tos de extremo a extremo en hileras, de modo que los laterales estén alineados de forma continua en todo el filtro (figura 6). Las filas de bloques están colocadas de forma adyacente unas con otras a lo ancho de todo el filtro, y los bloques que están sobre el canal están anclados con vástagos especiales de anclaje y el pequeño espacio entre las filas, rellenado con mortero. De este modo, los bloques se encajan juntos formando un fondo plano y nivelado. En comparación con los diseños de drenaje tradicionales, el sis- tema lateral en dos etapas ofrece una distribución más uniforme del agua y el aire de contralavado; la construcción sencilla del compartimento del filtro permite un fondo plano; no hay suelo plenum que pueda fallar ni purgadores o tamices colectores que puedan obstruirse; y la instalación es sencilla. Utilización de la limpieza por aire Las partículas sólidas atrapadas y sustancias químicas de pota- bilización pueden adherirse fuertemente al medio filtrante. El método tradicional de limpieza de filtros ha consistido en bombear el agua limpia desde el fondo del lecho a una velocidad suficiente para fluidificar el medio. Los sólidos adheridos son desincrustados y eliminados. El problema de este método es que la desincrustación puede no ser suficiente para eliminar las sus- tancias químicas floculadas de todo el medio. Si el medio no se limpia por completo, la acumulación de partículas sólidas puede crear bolas de lodo, que a su vez pueden provocar obstrucciones
CONCLUSIONES
La filtración lenta es uno de los procesos de tratamiento de agua más efectivos, simples y económicos.
La filtración lenta es uno de los procesos de tratamiento más apropiado para áreas rurales.
La filtración lenta difiere de la filtración rápida en arena, en su naturaleza biológica, su alta eficiencia y su facilidad de operación y mantenimiento para pequeñas comunidades.
El diseño sencillo de la filtración lenta facilita el uso de materiales y mano de obra locales. Requiere poco o ningún equipo especial.
La insuficiente limpieza y desinfección de la arena utilizada influye en la extensión del período de maduración del filtro y en la eficiencia de remoción. En este sentido, el tiempo de maduración puede reducirse y las eficiencias en remoción de color y coliformes aumentar.
Establecer la desinfección con cloro a la salida del filtro lento para garantizar la producción de un agua segura para el consumo humano.
Al utilizar filtros de arena rapidos se obtienen buenos resultados respecto a la remoción de sedimentos haciendo que la turbidez y a conductividad del agua disminuyan notoriamente.
RECOMENDACIONES
El uso de los filtros lentos de arena puede ser una alternativa factible de aplicar en las zonas rurales que no cuentan con un suministro comunitario de agua, fundamentalmente para purificar aguas de origen superficial de baja turbiedad.
Proponer el uso de los filtros lentos de arena para grupos de viviendas aisladas en zonas rurales, campamentos, cooperativas, etc., que no cuenten con un sistema comunitario de agua potable, debido a la alta eficiencia y economía brindada por este tipo de filtro con respecto a una planta de potabilización convencional.
Establecer la desinfección con cloro a la salida del filtro lento para garantizar la producción de un agua segura para el consumo humano.
La implementación de tecnologías apropiadas para la purificación del agua, constituye una práctica usual en los países en desarrollo, entre las cuales se encuentra la filtración del agua a través de dispositivos con medios porosos que permiten obtener un agua efluente con buena calidad físico-química y bacteriológica.
Posiblemente se logren mejores resultados utilizando porcentajes de Carbón activado entre las capas de materiales así como la utilización de arena con diferente granulometría que permita un paso aceptable de caudal y una remoción más efectiva del material sedimentable.
BIBLIOGRAFIA.
mundolimpio11.blogspot.com/…1/10/filtros-para-la...
AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (Denver, US). Research Foundation. Manual of design for slow sand filtration. Denver (US), AWWA, 1991
CEPIS (Lima, PE). Plantas modulares de tratamiento de agua. En: CEPIS documentos técnicos No. 8. Lima, CEPIS, 1982. (Actualizado en 1990).
CÁNEPA DE VARGAS, Lidia; CEPIS (Lima, PE). Proyecto de Desarrollo Tecnológico de las Instituciones de Abastecimiento de Agua Potable y Alcantarillado. Filtros de arena en acueductos rurales; investigación No. 3. Lima (PE), CEPIS-DTIAPA, 1982.
CEPIS (Lima, PE). Programa Regional HEP/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Serie filtración lenta; Manual II: Teoría y Evaluación; Manual III: Diseño. Lima (PE), CEPIS, 1992.
CEPIS, Cánepa de Vargas Lidia; “Programa regional para la promoción del uso de Tecnologías apropiadas en saneamiento básico”; CEPIS; Lima; 2000.
CEPIS, Ing. Lidia Cánepa de Vargas; “Programa regional de mejoramiento de la calidad del agua para consumo humano”, Tratamiento - Filtración lenta, Manual: I, II, III; CEPIS; Lima; 1992.
www.buenastareas.com/ensayos/Filtros-De-Arena/104996.html
es.scribd.com/doc/61499158/FILTROS
