TEMA: FILTRO

U.N.J.F.S.C.TEMA: FILTRO

FILTRO

DEFINICION:

El filtro es un tratamiento secundario y es uno de los tantos procesos de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) que viene precediendo al pre-filtro y es el encargado al igual que sus mecanismos anteriores de brindar, como su propio nombre lo dice, un proceso de filtracin a las aguas residuales servidas a una comunidad u otra entidad que tenga la necesidad de tratar sus aguas residuales. Los lmites permisibles para la cantidad de couliformes contenidos en las aguas a tratar se vern con el avance de este captulo dependiendo del tipo de filtracin de la cual estemos hablando. A continuacin le mostramos los tipos de filtracin ms usados en la actualidad.

TIPOS DE FILTRACION:

1. FILTRACIN LENTA:

1.1. FILTRACIN LENTA DE ARENA (FLA):

Es el sistema de tratamiento de agua ms antigua del mundo. Copia el proceso de purificacin que se produce en la naturaleza cuando el agua de lluvia atraviesa los estados de la corteza terrestre y forma los acuferos o ros subterrneos. El filtro lento se utiliza principalmente para eliminar la turbiedad del agua, pero si se disea y opera convenientemente puede ser considerado como un sistema de desinfeccin del agua.

A diferencia de la filtracin rpida en arena, en la que los microorganismos se almacenan en los intersticios el filtro hasta que se vierten nuevamente en la fuente por medio de retro lavado, la FLA consiste en un conjunto de procesos fsicos y biolgicos que destruye los microorganismos patgenos del agua. Ello constituye una tecnologa limpia que purifica el agua si crear una fuente adicional de contaminacin para el ambiente.

Bsicamente, un filtro lento consta de una caja o tanque que contiene una capa sobrenadante de agua que se va a desinfectar, un lecho filtrante de arena, drenajes y un juego de dispositivo de regulacin y control.

1.1.1. COMPORTAMIENTO DEL FILTRO LENTO (HUISMAN & WOOD, 1974)

La filtracin biolgica (o filtracin lenta) se consigue al hacer circular el agua cruda a travs de un manto poroso de arena. Durante el proceso las impurezas entran en contacto con la superficie de las partculas del medio filtrante y son retenidas, desarrollndose adicionalmente procesos de degradacin qumica y biolgica que reducen a la materia retenida a formas ms simples, las cuales son llevadas en solucin o permanecen como material inerte hasta un subsecuente retiro o limpieza.

Los procesos que se desarrollan en un filtro lento se complementan entre s, actuando en forma simultnea, para mejorar las caractersticas fsicas, qumicas y bacteriolgicas del agua tratada.

El agua cruda que ingresa a la unidad permanece sobre el medio filtrante de tres a doce horas, dependiendo de las velocidades de filtracin adoptadas. En este tiempo, las partculas ms pesadas que se encuentran en suspensin se sedimentan y las partculas ms ligeras se pueden aglutinar, llegando a ser ms fcil su remocin posterior. Durante el da y bajo la influencia de la luz del sol se produce el crecimiento de algas, las cuales absorben bixido de carbono, nitratos, fosfatos y otros nutrientes del agua para formar material celular y oxgeno. El oxgeno as formado se disuelve en el agua y entra en reaccin qumica con las impurezas orgnicas, haciendo que stas sean ms asimilables por los microorganismos.

En la superficie del medio filtrante se forma una capa, principalmente de material de origen orgnico, conocida con el nombre de schmutzdecke o piel de filtro, a travs de la cual tiene que pasar el agua, antes de llegar al propio medio filtrante. El schmutzdecke est formado principalmente por algas y otras numerosas formas de vida, tales como plankton, diatomeas, protozoarios, rotferas y bacterias. La accin intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y degrada la materia orgnica contenida en el agua. Las algas muertas, as como las bacterias vivas del agua cruda son tambin consumidas en este proceso. Al mismo tiempo que se degradan los compuestos nitrogenados se oxigena el nitrgeno. Algo de color es removido y una considerable proporcin de partculas inertes en suspensin son retenidas por cernido.

Habiendo pasado el agua a travs del schmutzdecke, entra al lecho filtrante y es forzada a atravesarlo en un proceso que normalmente toma varias horas, desarrollndose un proceso fsico de cernido que constituye una parte del proceso total de purificacin. Una de las propiedades ms importantes del manto filtrante es la adherencia, fenmeno resultante de la accin de fuerzas elctricas, acciones qumicas y atraccin de masas. Para apreciar la magnitud e importancia de este fenmeno, es necesario visualizar que un metro cbico de arena con las caractersticas usuales para filtros lentos tiene una superficie de granos de cerca de 15,000 m2. Cuando el agua pasa entre los granos de arena con un flujo laminar ( el cual cambia constantemente de direccin) se facilita la accin de las fuerzas centrfugas sobre las partculas y la adherencia a la superficie de los granos de arena.

En los poros o espacios vacos del medio filtrante (los cuales constituyen aproximadamente el 40% del volumen) se desarrolla un proceso activo de sedimentacin, fenmeno que se incrementa apreciablemente por la accin de fuerzas electrostticas y de atraccin de masas.

Debido a los fenmenos enunciados anteriormente, la superficie de los granos de arena es revestida con una capa de una composicin similar al schmutzdecke, con bajo contenido de algas y partculas, pero con un alto contenido de microorganismos, bacterias, bacterifagos, rotfera y protozoarios; todos ellos se alimentan y absorben las impurezas y residuos de los otros. Este revestimiento biolgico es muy activo hasta los 0.40 m de profundidad en el medio filtrante. Predominan diversas formas de vida en las diferentes profundidades y se desarrolla una mayor actividad biolgica cerca de la superficie del manto filtrante, donde las condiciones son ptimas y existe gran cantidad de alimento.

El alimento consiste esencialmente en partculas de origen orgnico, llevadas por el agua. El revestimiento orgnico mantiene a las partculas que se encuentran en suspensin en el agua hasta que se degrada la materia orgnica y es asimilada por el material celular, el cual a su vez es asimilado por otros organismos y convertido en materia inorgnica, tal como agua, bixido de carbono, nitratos, fosfatos y sales que son arrastradas posteriormente por el agua.

En el extremo final del manto filtrante disminuye la cantidad de alimento, producindose otro tipo de bacterias, las cuales utilizan el oxgeno disuelto en el agua y los nutrientes que se encuentran en solucin.

Como consecuencia de los procesos indicados anteriormente, un agua cruda que ingresa en el filtro lento con slidos en suspensin en estado coloidal y amplia variedad de microorganismos y complejas sales en solucin sale virtualmente libre de tales impurezas y con bajo contenido de sales inorgnicas en solucin. En el proceso de filtracin biolgica, no slo se han eliminado los organismos nocivos o peligrosos, sino tambin los nutrientes en solucin, los cuales podran facilitar el subsiguiente crecimiento bacteriolgico.

Por lo general, el efluente obtenido tiene bajo contenido de oxgeno disuelto y alto contenido de bixido de carbono, pero con un proceso de aireacin posterior se pueden mejorar ambas caractersticas.

Como el rendimiento del filtro lento depende principalmente del proceso biolgico, mientras la capa biolgica se desarrolla, la eficiencia es baja, mejorando a medida que progresa la carrera de filtracin, proceso que se conoce con el nombre de maduracin del filtro.

1.1.2. CARACTERSTICAS DEL FILTRO LENTO DE ARENA

El agua pasa lentamente a travs de un lecho de arena fina a razn de 0,1 a 0,3 m3/m2/hora.

Solo funcionan adecuadamente con agua de baja turbiedad (entre 20 y 30 UNT).

En la superficie del lecho se forma una pelcula filtrante (schmutzdecke) que consiste en material orgnico e inorgnico retenido y una amplia variedad de microorganismos activos biolgicamente, los cuales descomponen la materia orgnica.

La actividad biolgica se extiende hasta unos 0,4 m de profundidad.

La limpieza del filtro se hace raspando unos pocos centmetros de la parte superior del lecho filtrante y reiniciando luego el proceso de filtracin

1.1.3. COMPONENTES DEL FILTRO

Bsicamente, 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 caractersticas: La estructura de ingreso consiste en una cmara de distribucin con vertederos rectangulares para distribuir el caudal uniformemente a todas las unidades del sistema y vlvula de limpieza. Si no se han considerado unidades previas para acondicionar la calidad del agua, en esta cmara se incluir el sistema de ajuste y medicin de caudal, consistente en una vlvula y un vertedero triangular. Las cajas de los filtros debern ser, por lo menos, dos y estarn 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 comn a dos unidades y comprende un vertedero de control de nivel mximo de operacin, una caja de desage, dos cmaras de salida cada una con un vertedero de control de nivel mnimo, una vlvula para comunicar la cmara de salida con la de desage, una vlvula para intercomunicar las cmaras de salida, una cmara de reunin del efluente y dos vlvulas para eliminar el efluente inicial

1.1.4. PROPIEDADES Y DESCRIPCIN DE LA DESINFECCIN MEDIANTE FILTRACIN LENTA:

El filtro lento se caracteriza por ser un sistema sencillo, limpio y a la vez eficiente para el tratamiento de agua. Comparado con el filtro rpido, requiere de reas ms grandes para tratar el mismo caudal y, por lo tanto, tiene mayor costo inicial. Sin embargo su simplicidad y bajo costo de operacin y mantenimiento lo convierte en un sistema ideal para zonas rurales y pequeas comunidades, teniendo en cuenta adems que los costos por rea de terreno so comparativamente menores en estas zonas.

La filtracin lenta, como se ha mencionado, es un proceso que se desarrolla en forma natural, sin a aplicacin de ninguna sustancia qumica, pero requiere un buen diseo, as como una apropiada operacin y cuidadoso mantenimiento para no afectar el mecanismo biolgico del filtro ni reducir la eficiencia de remocin microbiolgica.

La circulacin de agua cruda a baja velocidad a travs de un manto poroso de arena fue impuesta por Huisman y Wood en 1974. Durante el proceso, las impurezas entran en contacto con la superficie de las partculas del medio filtrante y son retenidas, desarrollndose adicionalmente procesos de degradacin qumica y biolgica que reducen a materia retenida a formas ms simples, las cuales son llevadas en solucin o permanecen como material inerte hasta un subsecuente retiro o limpieza.

El agua cruda que ingresa a l unidad permanece sobre el medio filtrante tres a doce horas, dependiendo de las velocidades de filtracin adoptadas. En ese tiempo, las partculas ms pesadas que se encuentran en suspensin se sedimentan y las partculas ms ligeras se pueden aglutinar, lo que facilita su remocin posterior. Durante el da, bajo la influencia de la luz solar, se produce el crecimiento de algas, los cuales absorben dixido de carbono, nitratos, fosfatos y otros nutrientes del agua para formar material celular y oxgeno. El oxgeno as formado se disuelve en el agua, entra en reaccin qumica con las impurezas orgnicas y hace que stas sean ms asimilables por los microorganismos.

En la superficie del medio filtrante se forma una capa constituida por material de origen orgnico, conocida con el nombre de schmutzdecke o piel de filtro, a travs de la cual tiene que pasar el agua antes de llegar a propio medio filtrante. El schmutzdecke o capa biolgica est formado principalmente por algas y otras numerosas formas de vida, como plancton diatomeas, protozoarios, rotferas y bacterias. La accin intensiva de estos microorganismos atrapa, digiere y degrada la materia orgnica contenida en el agua. Las algas muertas, as como las bacterias vivas del agua cruda son tambin consumidas en este proceso. Al mismo tiempo que se degradan los compuestos nitrogenados se oxigena el nitrgeno. Tambin se remueve algo de color y una considerable proporcin de partculas inertes en suspensin es retenida por cernido.

Una vez que el agua pasa a travs del schmutzdecke, entra al lecho filtrante y es forzada a atravesarlo en un proceso que normalmente toma varias horas y en el que se desarrollan diversos procesos fsicos y biolgicos que constituyen el proceso final de purificacin.

1.1.5. TIPOS DE FILTROS DE ARENA

Se divide en 2 tipos:

a) El filtro de arena de pretratamiento

Tratamiento y almacenamiento seguro del agua en el hogar en situaciones de emergencia - Cruz Roja

La instalacin de este filtro resulta muy sencilla. Sin embargo, por s mismo solo permite realizar un tratamiento somero del agua.

Consiste en llenar un recipiente, que suele ser una sencilla cubeta de hormign provista de un grifo u otro medio de vaciado, con una capa de grava bastante fina y con otra capa de arena, mucho ms gruesa que la anterior, sobre la que se vierte el agua a tratar, que solo hay que recoger por la parte inferior del recipiente.

Es realmente eficaz cuando se utiliza como pretratamiento para otros mtodos de desinfeccin (por radiacin solar, cloracin o ebullicin) en aquellas ocasiones en las que el agua no tratada de la que se dispone est algo turbia;a pesar de ello, no basta por s mismo.Un filtro de hormign tiene un coste aproximado de entre 10 y 25 euros.

b) El filtro de arena biolgico

Los filtros de arena biolgicos permiten realizar un tratamiento completo y muy eficaz del agua. El mantenimiento de un nivel de agua constante en su interior posibilita la aparicin de una actividad biolgica que elimina los grmenes patgenos. No es eficaz en los primeros usos, ya que el filtro biolgico no ha tenido tiempo para formarse. La capa biolgica necesita unas 3 semanas para alcanzar su completa madurez. El filtro cuenta con una placa de difusin que sirve para evitar que la arena se ahueque al verter el agua. Esta ltima fluye a travs de la arena fina. La parte inferior del filtro est compuesta por una capa de arena gruesa y otra de grava. Para mantener constante el nivel del agua en el interior del filtro, una tubera de PVC sube hasta la altura de la parte superior de la capa de arena.

El principal inconveniente de este filtro es que el agua fluye con una lentitud cada vez mayor a medida que se utiliza. Cuando el tratamiento se hace demasiado lento, hay que sustituir la arena.

1.1.6. LIMITACIONES

Los filtros lentos de arena presentan ciertas limitaciones. Estos requieren de una superficie grande, grandes cantidades del medio del filtro y de mano de obra para su limpieza.

El agua con niveles altos de turbiedad puede tapar rpidamente la arena fina de estos filtros. El agua es aplicada a los filtros sin ningn pre-tratamiento cuando el agua tiene niveles de turbiedad menores a 10 NTU.

Cuando los filtros lentos de arena son utilizados con agua de corrientes superficiales que presentan una gran variedad de niveles de turbiedad, la turbiedad se puede reducir utilizando canales de infiltracin o filtros speros, tales como filtros de grava antes del filtro de arena.

Las aguas con muy bajo contenido de nutrientes pueden perjudicar el retiro de la turbiedad, puesto que algunos nutrientes deben de estar presentes para promover el crecimiento del ecosistema biolgico dentro de la cama de filtro.

Los filtros lentos de arena no retiran completamente todos los qumicos orgnicos, sustancias inorgnicas disueltas, como metales pesados o precursores del trihalometano (THM)compuestos qumicos que pueden formar THMs cuando se mezclan con el cloro.

Incluso, el agua con arcillas muy finas no es tratada fcilmente usando filtros lentos de arena. El filtro de carbn granular activado (CGA) tipo emparedado es un filtro modificado lento de arena que retira material orgnico. Este filtro utiliza como base una capa de arena que tiene una profundidad de aproximadamente 1 pie, una capa intermedia de CGA de aprox. 0.5 pies y una capa superior de arena con una profundidad aproximada de 1.5 pies. Este filtro modificado lento de arena retira efectivamente pesticidas, carbn total orgnico y precursores de THM.

Los filtros lentos de arena son menos efectivos al retirar microorganismos del agua fra porque a medida que la temperatura decrece, la actividad biolgica dentro de la cama de filtro disminuye.

1.1.7. MECANISMOS DE LA DESINFECCIN MEDIANTE FILTRACIN LENTA:

En el proceso de filtracin lenta actan varios fenmenos o mecanismos fsicos similares a los de la filtracin rpida previos al mecanismo biolgico que desinfecta el agua. Esto mecanismos son muy importantes, dado que permiten la concentracin y adherencia de las partculas orgnicas al lecho biolgico para su biodegradacin, y las mencionamos a continuacin:

a) Mecanismos de transporte: Esta etapa de remocin bsicamente hidrulica ilustra los mecanismos mediante los cuales ocurre la colisin entre partculas y los granos de arena.

Los mecanismos de transporte y adherencia que actan sobre las partculas acarreadas por el agua (cuadro 3.1), en el proceso de remocin por filtracin lenta, son los mismos que actan en el proceso de filtracin rpida.

La diferencia fundamental est en el mecanismo biolgico adicional que acta en el filtro lento. Mientras que en el filtro rpido los microorganismos quedan entre el lodo retenido en el lecho filtrante y salen del filtro con el agua de lavado, quedando nuevamente liberados, en el filtro lento mueren como consecuencia del proceso de degradacin biolgica.

Estos mecanismos son: cernido, intercepcin, sedimentacin, difusin y flujo intersticial.

Cernido: En este mecanismo, las partculas de mayor tamao que los intersticios de material filtrante son atrapadas y retenidas en la superficie del medio filtrante.

Intercepcin: Mediante este mecanismo las partculas pueden colisionar con los granos de arena.

Sedimentacin: Este mecanismo permite que las partculas sean atradas por la fuerza de gravedad hacia los granos de arena, lo que provoca su colisin. Este fenmeno se incrementa apreciablemente por accin de fuerzas electrostticas y de atraccin de masa.

Difusin: Se produce cuando la trayectoria de la partcula es modificada por micro variaciones de energa trmica en el agua y los gases disueltos en ella, lo cual puede provocar u colisin con un grano de arena.

Flujo intersticial: Este mecanismo se refiere a las colisiones entre partculas debido a la unin y bifurcacin de lneas de flujo que devienen de la tortuosidad de os intersticios del medio filtrante. Este cambio continuo de direccin del flujo crea mayor oportunidad de colisin.

b) Mecanismo de adherencia: Este mecanismo es el que permite remover las partculas que, mediante los mecanismos arriba descritos, han colisionado con los granos de arena del medio filtrante. La propiedad adherente de los granos de arena es proporcionada por la accin de fuerzas elctricas, acciones qumicas y atraccin de masas as como por pelcula biolgica que crece sobre ellos, y en la que se produce la depredacin de los microorganismos patgenos por organismos de mayor tamao tales como los protozoarios y rotferas.

Cuando el filtro comienza a funcionar y antes de que se desarrolle la pelcula biolgica, la remocin de coliformes es cercana a cero y, por lo tanto = 0 (Bryck y colaboradores, 1987). Despus de que la pelcula biolgica se ha desarrollado, la tasa de remocin es del orden de 2 a 4 logaritmos, encontrndose el coeficiente cercano a 1.0. Esto indica la importancia de la pelcula biolgica en la eficiencia del filtro lento. Los microorganismos pueden morir o ser ingeridos por los predadores, antes de que logren alcanzar una superficie absorbente. Por lo tanto, la remocin indicada puede deberse a muerte o predacin adicional a la adherencia. Sin embargo, luego de producida la adherencia ocurrir inevitablemente la predacin y la muerte.

Lneas de flujo en el interior del lecho filtranteNo obstante, investigaciones de Bellamy y colaboradores (1985), Bryck (1987) y Barrett (1989) han demostrado que el lmite mximo de desarrollo de la capa biolgica se relaciona con el contenido de nutrientes en el agua cruda.

Puede esperarse que filtros lentos que tratan aguas con bajo contenido de nutrientes presenten una remocin de coliformes fecales del orden de 2 log. despus de producirse la maduracin de la pelcula biolgica (Bellamy y colaboradores, 1985). En cambio, con aguas ricas en nutrientes es de esperar que se obtengan remociones del orden de 3 log (Bellamy, 1985), evidencindose en otros casos eficiencias de remocin de hasta 4 log (Barrett, 1989).

El filtro se considera maduro cuando la pelcula biolgica ha llegado a su mximo desarrollo para las condiciones existentes. El lmite mximo de desarrollo de la pelcula biolgica no est an definido, necesitndose mayor investigacin al respecto para obtener esta importante informacin.

c) Mecanismo biolgico de la desinfeccin: Como se indic anteriormente, la remocin total de partculas en este proceso se debe al efecto conjunto del mecanismo de adherencia y el mecanismo biolgico. Es necesario que para que el filtro opere como un verdadero sistema de desinfeccin se haya producido un schmutzdecke vigoroso y en cantidad suficiente. Solo cuando se ha llegado a ese punto, el FLA podr operar correctamente. Entonces se dice que el filtro (o el manto) est maduro. Al iniciarse el proceso, las bacterias depredadoras o benficas transportadas por el agua utilizan como fuente de alimentacin el depsito de materia orgnica y pueden multiplicarse en forma selectiva, lo que contribuye a la formacin de la pelcula biolgica del filtro. Estas bacterias oxidan la materia orgnica para obtener la energa que necesitan para su metabolismo (desasimilacin) y convierten parte de sta en material necesario para su crecimiento (asimilacin). As, las sustancias y materia orgnica muerta se convierte en materia viva. Los productos de desasimilacin son llevados por el agua a profundidades mayores y son utilizados por otros organismos.

El contenido bacteriolgico est limitado por el contenido de materia orgnica en el agua cruda y es acompaado de un fenmeno de mortalidad concomitante, durante el cual se libera materia orgnica para ser utilizada por las bacterias de las capas ms profundas y as sucesivamente. De este modo, la materia orgnica degradable presente en el agua cruda se descompone gradualmente en agua, dixido de carbono y sales relativamente inocuas, como sulfatos, nitratos y fosfatos (proceso de mineralizacin), los cuales son degradados en el efluente de los filtros. La actividad bacteriolgica descrita es ms pronunciada en la parte superior del lecho filtrante. A partir de 0.30 a 0.50 m. de profundidad, la actividad bacteriolgica disminuye o se anula (dependiendo de la velocidad de filtracin).

1.1.8. PAPEL RELATIVO DEL SCHMUTZDECKE Y DE LA ARENA EN LA EFICIENCIA DEL FILTRO

La mayor parte de la literatura existente sobre filtracin lenta adjudica al schmutzdecke toda la eficiencia microbiolgica del filtro.

Hazen (1913) inform haber encontrado concentraciones del orden de 106 bacterias/gramo de lecho en la superficie del filtro y un decrecimiento exponencial con la profundidad, a valores de 105 bacterias/gramo a 2 cms de profundidad. Collins y colaboradores (1989) informaron haber encontrado 109 bacterias/gramo de lecho seco en la superficie del filtro, decreciendo entre 107 a 106 bacterias/gramo a una profundidad de 30 a 45 cms.

Bellamy y colaboradores, en un estudio efectuado en 1985, con una tasa hidrulica de 0.12 m/h indican una remocin de bacterias coliformes totales de tres niveles logartmicos cuando el lecho estaba maduro; sin embargo, despus de raspada la superficie del filtro, la remocin fue de dos logaritmos, indicando que el schmutzdecke no era el responsable de toda la eficiencia del filtro, ni siquiera de la mayor parte de sta.

1.1.9. FACTORES QUE MODIFICAN LA EFICIENCIA DEL FILTRO LENTO

Estos factores pueden clasificarse como de diseo, operacin y ambientales. Del comportamiento de estos depender la eficiencia del proceso (ver cuadro 5.1).

1.1.10. DISEO DE FILTRO LENTO DE ARENA

A) CONDICIONES DE DISEO

Uno de los factores ms importante en la eficiencia del filtro es la tasa superficial o velocidad de filtracin. Bellamy (1985) demostr la influencia de la tasa de filtracin en la remocin de bacterias y quistes. Encontr que cuando las dems relaciones estn bien definidas, los porcentajes de remocin son uniformemente altos, que an con tasas del orden de 0.40 m/h se obtienen eficiencias apreciables ( cuadro 5.2).

Una importante condicin de diseo es la sencillez de la solucin tcnica seleccionada, teniendo en cuenta los limitados recursos del medio rural de los pases de la Regin. Estudios realizados (I. Hespanhol,1960), CEPIS/DTIAPA (investigacin N 1, 1980), demostraron que la filtracin lenta en el medio rural de nuestros pases haba fracasado por esta razn, porque las soluciones tcnicas se haban implantado con las caractersticas tecnolgicas de los pases desarrollados, en los cuales existan los recursos humanos, econmicos y materiales apropiados, adems de una cultura de operacin de casi un siglo.

La solucin tcnica apropiada desarrollada por CEPIS, elimin todos los elementos que haban sido identificados como partes vulnerables del filtro lento, estableciendo controles muy sencillos, bsicamente solo vertederos, tanto para medir el caudal, como para controlar los niveles mnimo y mximo del filtro. Se dej tambin el nivel variable, pues esta comprobado que esto no afecta la eficiencia del proceso.

B) PROCESO DE DISEO

El diseo de un proyecto de filtracin lenta en arena consta en dos etapas Bsicas 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 construccin, operacin 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:

Conceptualizacin y ejecucin del diseo estructural.

Definicin de especificaciones tcnicas tanto de materiales como de equipos utilizados en el diseo.

I) COMPONENTES PRINCIPALES

Para disear un sistema de abastecimiento de agua, se debe definir la capacidad de la planta, es decir, la cantidad de agua requerida por da o por demanda mxima. Este parmetro depende de factores como periodo de diseo, nmero de usuarios, cantidad a suministrarse por persona, este estudio no ser realizado este documento debido a que nuestro estudio est 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.

II) CAPTACIN DE AGUA CRUDA Y BOMBEO

En sistemas de abastecimiento de agua por gravedad, la captacin se disea para funcionar 24 horas. En sistemas que utilizan bombas, el tiempo de funcionamientos oscila entre 8 a 16 horas por da, dependiendo el tamao de la comunidad, energa elctrica y mano de obra o combustible. C) CRITERIOS DE DISEO

El medio filtrante debe estar compuesto por granos de arena duros y redondeados, libres de arcilla y materia orgnica. La arena no debe contener ms de 2% de carbonato de calcio y magnesio. Experimentalmente se ha encontrado que el dimetro 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 mnimo 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 ltima instancia, cualquier material inerte puede utilizarse como medio filtrante.

La capa soporte debe reunir caractersticas similares a las indicadas para la arena. Debe considerarse una altura mnima de 0.30 m de grava dispuesta en tres capas de diferente granulometra. La grava ms fina debe seleccionarse, teniendo en cuenta el tamao de los granos de arena y la ms gruesa de acuerdo al tamao de los orificios del drenaje.

Cuadro 2. Granulometra de la capa soporteCapas Dimetros mnimos (mm)Dimetros mximos (mm)Altura (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 construccin. Los tubos de drenaje estn compuestos de un dren principal y ramificaciones o drenes laterales. Los drenes laterales se unirn al principal mediante tes o cruces y podrn ser de concreto, de cermica o de PVC. Los drenes laterales se instalarn dejando juntas abiertas de 2 cms o se perforarn orificios de 2 a 4 mm de dimetro, separados de 0.10 a 0.30 m centro a centro y dispuestos en la parte inferior de los drenes. La separacin entre los drenes laterales debe ser de 1/16 de su longitud o como mximo de 2.5 m. Con respecto a la pared, se considerar una separacin de 1/32 de su longitud o como mximo de 1.25 m.

- El dimensionamiento de los drenes se efectuar con el criterio de que la velocidad lmite en cualquier punto de estos no sobrepase de 0.30 m/s. La relacin de velocidades entre el dren principal (Vp) y los drenes secundarios (Vs) debe ser de: Vp/Vs < o = 0.15, para obtener una coleccin uniforme del agua filtrada. La prdida de carga producida por los drenes no debe exceder de un 10% de la prdida de carga del medio filtrante, cuando la arena est limpia y su altura es mnima. Puede estimarse mediante la siguiente ecuacin: h = 0.33 l 1/dh .v2/2g

Siendo (l) el coeficiente de friccin de Colebrook, (dh) el dimetro hidrulico 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 colocarn 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 decidir el nmero de unidades, teniendo en cuenta el tamao mximo de 50 m2 para que sea factible completar el mantenimiento en 24 horas.

La velocidad de diseo tambin es importante al decidir el nmero de unidades. Con velocidades mayores de 0.30 m/h deber considerarse un mnimo de tres unidades.

El rea de cada unidad (As) es una funcin de la velocidad de filtracin (Vf), del caudal (Q), del nmero de turnos de operacin (C) y del nmero de unidades (N).

As = Q. C/N.Vf.

Con operacin continua el rea de la unidad ser igual a As = Q/N. Vf.

Cuando el filtro lento es la nica unidad de tratamiento, la velocidad ser de 0.10 m/h. Se podrn considerar velocidades mayores, cuando se consideren otros procesos preliminares.

Cuadro 3. Velocidad de filtracin de acuerdo al nmero de procesos preliminaresProcesos Vf (m/h)

Filtracin lenta(FL) 0.10 - 0.20

Sedimentacin (S) o pre filtracin (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 travs de la cmara de salida para efectuar el llenado ascendente del filtro.

Cuando se tenga suficiente presin en el afluente al filtro, se podr implementar la limpieza por el mtodo de "trillado". Para esto, deber considerarse un ingreso de agua tratada (o por lo menos prefitrada) por el fondo de la unidad, un canal de recoleccin de agua de limpieza y su correspondiente vlvula de evacuacin.

Las paredes interiores de la caja, en el tramo ocupado por el lecho filtrante, debern presentar acabado rugoso para impedir la produccin de cortocircuitos.

El nivel mnimo 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 mximo dentro de la caja del filtro se efecta mediante un vertedero de alivio ubicado sobre las cmaras de desage.

Considerar una plataforma colindante con los filtros, para efectuar la operacin de lavado y secado de la arena.

Deber considerarse una unidad para lavar la arena y un depsito techado para guardar la arena embolsada y las herramientas.

Cercar las instalaciones de la planta para evitar el acceso a nios y animales.

1.1.11. SUBPRODUCTOS DE LA DESINFECCIN MEDIANTE FILTRACIN LENTA:

Los subproductos del proceso de filtracin lenta son sustancias naturales de degradacin biolgica sin ningn riesgo para la salud, ya que el proceso no requiere de sustancias qumicas que reaccionen con la materia disuelta en el agua. En tal sentido, los subproductos de la filtracin lenta son dixido de carbono y sales relativamente inocuas, como sulfatos, nitratos y fosfatos, adems de un contenido bajo en oxgeno disuelto. Estas condiciones pueden ser revertidas con un proceso de aireacin.

1.1.12. EQUIPOS E INFRAESTRUCTURA:

Dada la sencillez de la filtracin lenta, solo se requiere un equipo de bombeo cuando es necesario elevar la carga hidrulica para que el agua llegue hasta el filtro. Por otro lado, la calidad del agua cruda determina el uso de otras instalaciones adicionales al filtro lento a fin de adecuar la calidad del agua cruda a las condiciones de operacin del filtro.

En el siguiente cuadro se muestra una sntesis de las alternativas de pre tratamiento en funcin de las variaciones de calidad de la fuente para la instalacin de un filtro lento de arena.

El parmetro de diseo ms importante en un FLA es la velocidad de filtracin (Vf). La misma debe tener un valor en el rango:

0,1 m3/m2 hora 0,5 m3/m2 hora.

Se debe notar que: [m3/m2 hora] = [m/ hora]

Otros parmetros de diseo importantes en relacin con el material filtrante son:

LECHO SE SOPORTE:

MEDIO FILTRANTE:

Cuando el filtro lento es la nica unidad de tratamiento, la velocidad ser de 0,10 m7h. Se podrn considerar velocidades mayores en casos excepcionales cuando se consideren otros procesos preliminares, como se observa en el cuadro siguiente.

La velocidad de diseo tambin es importante al decidir el nmero de unidades con las que operar el filtro. Con velocidades mayores a 0,2 m/h deber considerarse un mnimo de tres unidades.

El rea de cada unidad (As) es una funcin de la velocidad de filtracin (Vf), del caudal (Q), del nmero de turnos de operacin (C) y del nmero de unidades (N).

Con operacin continua el rea de la unidad (en m2) ser igual a:

Los filtros lentos de arena pueden adoptar ser rectangulares o circulares dependiendo del material con el que se elaboran: hormign, ferrocemento o mampostera. La figura muestra un filtro lento modificado rectangular de hormign.

RELACIN A LA REMOCIN DE QUISTES DE GIARDIA

En relacin a la remocin de quistes de Giardia, resultados reportados por Bellamy(1985) indican eficiencias de hasta 99.99% en filtros nuevos con velocidades de 0.12 m/h, disminuyendo a 99.06% al incrementar a 0.47 m/h la tasa de velocidad (Cuadro 6.3). Bryck (1987) identific cinco niveles logartmicos de remocin inmediatamente despus de la puesta en marcha de los filtros. Fogel y otros (1993) reportan eficiencias de remocin de quistes de Giardia y Cryptosporidium del orden de 93% y 48%, respectivamente. Los resultados de la investigacin indican que se dificulta la remocin de Cryptosporidium cuando las aguas son muy fras o la planta no cumple con los estndares de diseo.

Cuadro: Remocin de quistes de Giardia con una arena de 0.615 mm de tamao efectivo (Bellamy, 1985)

Los resultados del cuadro 6.3 demuestran que el filtro lento es siempre eficiente removiendo quistes de Giardia y posiblemente de cualquier otro tipo de tamao similar, ya que el mecanismo de remocin predominante en este caso es el cernido, por lo que no importa si la arena est madura o no madura. La eficiencia se mantiene, inclusive con arenas de tamao efectivo del orden de 0.615 mm. que sobrepasan el rango de 0.15 a 0.30 mm., normalmente recomendado.

En cambio, en el caso de la eficiencia de remocin bacteriolgica, son muchos los estudios ejecutados con todo el rigor cientfico que indican que al remover la capa biolgica, la eficiencia decae por lo menos en un tercio de la habitual y que puede llegar a anularse totalmente, si las condiciones de operacin y mantenimiento no son adecuadas.

Para disminuir el impacto durante la operacin de raspado del filtro, es necesario que esta operacin se ejecute en un da para evitar la mortandad de los microorganismos benficos en la capa de arena que permanecer en el filtro y acortar el perodo de remaduracin. En el caso de la operacin de rearenado, esto es, cuando la altura del lecho ha llegado al mnimo aceptable (de acuerdo a recientes investigaciones, esta altura puede ser de hasta 0.30 m) y hay que restituir a la arena el espesor de diseo, ser muy importante aplicar el mtodo de trinchera, colocando la arena del fondo que esta semicolmatada en la superficie del filtro, sobre la arena nueva, para acelerar el perodo de maduracin del lecho de arena.

1.1.13. CONDICIONES AMBIENTALES Y CALIDAD DE AGUA CRUDA

Las condiciones del agua cruda que ms afectan la eficiencia del filtro son la temperatura, la concentracin de nutrientes y de sustancias txicas y afluentes con turbiedad y color altos.

a) TEMPERATURA:

En condiciones ambientales extremas se han detectado eficiencias que varan entre 0 y 90% (Huisman & Wood, 1974). La eficiencia de remocin de bacterias coliformes fecales puede reducirse de 99% a 20C a 50% a 2C; permaneciendo inalterables todas las condiciones restantes. En filtros operando con velocidades de 0.3 m/h y temperaturas de 4C, con buenas condiciones de funcionamiento, no se han logrado producir efluentes con menos de 50 UFC/100 ml. Los antiguos sistemas de Londres se operan con velocidades de 0.20 m/h, obtenindose filtrados con concentraciones de coliformes fecales menores de 10 UFC/100 ml.En Suiza, Holanda y otros pases desarrollados con temperaturas muy bajas, los filtros Lentos se techan para conservar el calor y atenuar el efecto de la nieve y las heladas.b) CONCENTRACIN DE NUTRIENTES:La velocidad de desarrollo de la formacin biolgica en el filtro depende de la concentracin de nutrientes en el agua, debido a que sta es la fuente de alimentacin de los microorganismos. Experimentos realizados incrementando nutrientes a un filtro, indican que la formacin de la capa biolgica se acelera tremendamente, comparativamente, con otro similar operando con la misma calidad de agua.En regiones en las que se tiene bajas temperaturas, asociadas con bajas concentraciones de nutrientes en el afluente, el lecho del filtro puede demorar varios meses en madurar y alcanzar su mxima eficiencia de remocin bacteriolgica.c) CONCENTRACIN DE ALGAS:Las algas pueden llegar al filtro procedentes de los ros, lagos y presas que alimentan estos sistemas. Son parte constituyente del schmutzdecke y, en concentraciones adecuadas, su efecto es beneficioso para el funcionamiento del filtro. Las algas mantienen el equilibrio biolgico produciendo el oxgeno que requieren los predadores para su desarrollo y consumiendo el anhdrido carbnico que stos exalan; adems de actuar como un prefiltro sobre la superficie de la arena.Sin embargo, bajo ciertas condiciones particularmente relacionadas con la disponibilidad de luz y nutrientes, como presencia de fosfatos y nitratos en el agua, pueden producirse grandes crecimientos de algas. Estos florecimientos o blooms de algas pueden crear serios problemas de operacin y calidad de agua tratada, como bloqueo o colmatacin prematura del lecho filtrante, produccin de olor y sabor en el agua, incremento en la concentracin de sustancias orgnicas solubles y biodegradables en el agua, incremento de las dificultades asociadas con la precipitacin de carbonato de calcio y desarrollo de condiciones anxicas. La carrera del filtro puede reducirse a un sexto de su perodo normal debido a un exagerado crecimiento de algas, an en climas templados como el de Gran Bretaa. Durante su actividad fotosinttica, las algas pueden reducir la capacidad buffer natural o amortiguadora del agua y el pH puede elevarse considerablemente, an por encima de 10 u 11. Como consecuencia de esto, el hidrxido de magnesio y de calcio pueden precipitar sobre los granos de arena, afectando la eficiencia del proceso y las condiciones de operacin del filtro.Controlar las algas es difcil, pero puede solucionarse controlando los nutrientes en la fuente y el efecto de la luz cubriendo los reservorios de agua cruda.En Europa este problema se controla techando los filtros, habindose encontrado que la falta de luz no afecta mayormente el proceso y la reduccin de las algas permite operar con tasas ms altas.

d) CONCENTRACIONES ALTAS DE TURBIEDAD Y COLOR:

La capacidad de los filtros lentos para reducir la turbiedad y el color es muy limitada. El agua cruda no debe sobrepasar de 10 a 20 UNT por perodos prolongados, pudiendo aceptarse picos de 50 a 100 UNT por pocas horas, debido a que causan enlodamiento de la superficie del filtro, reduciendo la capacidad de remocin de la formacin biolgica del filtro y reduciendo dramticamente la duracin de la carrera de filtracin. Hay casos en que los filtros se estn raspando cada dos o tres das por esta causa, lo cual, adems de afectar la calidad del agua producida, incrementa en forma exagerada los costos de operacin y mantenimiento. En cuanto a color verdadero, la capacidad de remocin del filtro lento se limita a 40 50 UC.Este aspecto se puede controlar anteponiendo al filtro lento tantos procesos como sea necesario para adecuar el afluente a los lmites de turbiedad estipulados para el filtro

1.1.14. REQUERIMIENTOS PARA SU INSTALACIN:

Para la instalacin de la planta deben considerarse los siguientes aspectos:

A) UBICACIN:

Debe estar en una zona accesible, con vas de comunicacin que faciliten su posterior construccin, operacin y mantenimiento. El agua subterrnea debe estar ausente o muy profunda. La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturales o humanos. De preferencia, la topografa de la zona seleccionada debe reunir los desniveles necesarios para que el sistema pueda operar totalmente por gravedad.

B) ASPECTOS RELACIONADOS CON LA COMUNIDAD:

Efectuar estudios sociolgicos para determinar las costumbres y creencias que puedan afectar la aceptacin del sistema. Comprobar la informacin demogrfica disponible. Determinar los recursos humanos y materiales disponibles para adecuar el diseo del sistema. Estudiar la incidencia de enfermedades de origen hdrico y presencia de vectores.

C) CONCEPCIN DEL SISTEMA:

La operacin del sistema debe ser confiable, y evitar el uso de dispositivos para elevar el nivel del agua (bombas), as, no depender de suministro de energa elctrica ni repuestos de difcil adquisicin local y que incrementen los costos de mantenimiento. Si se tiene que elevar el agua por razones topogrficas se debe hacer en una sola etapa de bombeo. Preferentemente el filtro debe operar de manera continua para tener unidades ms pequeas y abastecimiento continuo de nutrientes.

D) CONDICIONES DEL AGUA CRUDA: Las condiciones del agua cruda que ms afectan la eficiencia del filtro son la temperatura, la concentracin de nutrientes y de sustancias txicas y los efluentes con turbiedad y color altos. A continuacin se describen brevemente.

Temperatura: Dado que en el filtro se desarrolla un proceso biolgico, se ve afectado por las variaciones de temperatura y puede reducir 50% de su eficiencia cuando se opera a menos de 5C. Concentracin de nutrientes: La velocidad de desarrollo de la formacin biolgica en el filtro depende de la concentracin de nutrientes en el agua, debido a que sta es la fuente de alimentacin de microorganismos. Concentracin de algas: Las algas con importantes en la formacin de schmutzdecke. Pero su crecimiento excesivo debido a la elevada disponibilidad de luz y nutriente, como presencia de fosfatos y nitratos en el agua, puede crear serios problemas de operacin y en la calidad de agua tratada. El control de la formacin de alas es difcil, pero puede solucionarse mediante el control de nutrientes en la fuente y del efecto de la luz que cubre los reservorios de agua cruda. Concentraciones altas de turbiedad: La capacidad de los filtros lentos para reducir la turbiedad cuando sta es muy elevada es imitada. Ellos se debe a que una alta turbiedad causa enlodamiento de superficie del filtro, disminuyendo la capacidad de formacin de la capa biolgica y reduce drsticamente la duracin de la carrera de filtracin, lo cual adems de afectar la calidad del agua producida, incrementa los costos de operacin y mantenimiento.

E) MATERIAL FILTRANTE: Es necesario considerar una plataforma colindante con los filtros para efectuar la operacin de lavado y secado de la arena. Asimismo, se requiere un depsito techado para guardar la arena embolsada y las herramientas, y cercar las instalaciones de la planta para evitar el acceso a nios y animales.

1.1.15. OPERACIN Y MANTENIMIENTO:

Las tareas rutinarias de operacin comprenden los ajustes y medicin del caudal, monitoreo de la calidad del agua producida, limpieza de la superficie de la arena, que se efecta por rascado de la porcin superior del filtro (aproximadamente 5 cm. de arena), lavado y almacenamiento de la arena y posterior reconstruccin del lecho filtrante. Este perodo entre limpiezas, llamado carrera, es variable. A veces puede ser necesario realizarla cada tres o cuatro semanas y en otras circunstancias, pasados muchos meses.

La adecuada operacin y mantenimiento determinan la eficiencia del filtro, principalmente en la etapa de puesta en marcha o inicio de la operacin del filtro nuevo, Durante la operacin normal, es importante el estado de la maduracin de la capa biolgica, la frecuencia de los raspados, el perodo de duracin de cada operacin de limpieza y la forma en que se efecta el rearenado del filtro.

Con relacin a la puesta en marcha, es necesario tener presente que la arena nueva no reduce la contaminacin bacteriolgica y que es necesario desechar el efluente inicial hasta comprobar que se est obteniendo un grado de eficiencia aceptable. Sin embargo, este proceso puede acelerarse sembrando el filtro con arena madura proveniente de otros filtros en operacin.

El raspado del lecho filtrante debe iniciarse cuando el nivel del agua en la caja del filtro llega al mximo y el agua empieza a rebosar por el aliviadero.

Para disminuir el impacto sobre la eficiencia del tratamiento durante la operacin de raspado del filtro, es necesario que esta operacin se ejecute en un solo da para evitar la mortandad de los microorganismos benficos en la capa de rea que permanecer en el filtro y acortar el perodo de remaduracin. En la operacin de rearenado, esto es, cuando la altura del lecho ha llegado al mnimo aceptable (0.30 m.) y hay que restituir a la arena el espesor de diseo, es importante aplicar el mtodo de trinchera. Para ello, la arena del fondo que est semicolmatada se colocar en la superficie del filtro, sobre la arena nueva, a fin de acelerar el perodo de maduracin del lecho de arena.

Por lo menos cada cinco aos se realizar el lavado completo del filtro de la siguiente manera: se retira con mucho cuidado la arena y la grava para no mezclarlas; se lava la arena; se cepillan las paredes de la caja del filtro; se reacomoda el drenaje; y se vuelve a colocar el lecho de arena y la grava. Si ha habido prdida de arena y grava, ser necesario reponerla. Si hay grietas en las paredes o en el fondo, debern resanarse antes de colocar el lecho filtrante.Cuando los sistemas estn bien diseados, operados y mantenidos, el efluente de las plantas de filtracin lenta requiere de dosis muy bajas de cloro como la ltima barrera; prcticamente slo para asegurar que el agua conserve su calidad bacteriolgica hasta ser consumida. Es un agua con muy bajo riesgo sanitario.

A) LIMPIEZA DEL LECHO DE ARENA CONSIDERACIONES PARA EL LAVADO DE LA ARENA Cuando la arena es muy costosa o difcil 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 orgnica adherida y este material al descomponerse produce sustancias con olores y sabores muy difciles de remover. Para lavar la arena en una planta pequea, se puede emplear un simple canal. El flujo de agua mantiene la arena y los residuos en suspensin. La arena sedimentara dentro de una caja y los residuos sern removidos por la corriente de agua.

Tabla 2. Procedimiento para limpiar un lecho filtrante

REARENAMIENTO DE UN FILTRO La reposicin de arena es necesaria cuando los raspados has reducido el espesor del lecho a 50-60 cm. Esta operacin se debe realizar cada dos o tres aos. Se debe tomar bastante antelacin al realizar este proceso ya que se necesita parar la produccin de agua de ese filtro y podr haber riesgos de escases de agua es por eso que se debe realizar esto en pocas 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 deber extraer totalmente tambin 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 aos se realizar 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 prdidas de arena y grava ser necesario reponerla. Si hay grietas en las paredes o en el fondo, debern reponerse antes de colocar el lecho filtrante.

Reareamiento de un filtro lento

Sistema de rearenamiento de un filtro lento LIMPIEZA TOTAL DE CADA FILTRO Se recomienda que en forma secuencial, en un periodo prolongado generalmente no inferior a cinco aos, se limpie todos los elementos de la caja filtrante: lecho de arena, manto sostn de grava, sistema de drenaje, paredes y solera de la unidad, cmaras, vertederos, etc.

1.1.16. CRITERIOS PARA EL MONITOREO Y EVALUACIN:

La turbiedad y la contaminacin bacteriolgica del agua son los principales parmetros para la caracterizacin el agua superficial en las reas rurales. Cuando el tratamiento se combina con un pre filtro o sedimentador, el objetico especfico de estas unidades es reducir la turbiedad, mientras que el del filtro lento es reducir la contaminacin. Cuando slo se cuenta con un filtro lento, ste debe cumplir los dos objetivos.

Un programa de monitoreo mnimo para controlar una planta de filtros lentos debera considerar la toma de muestras de agua cruda y tratada para constatar la calidad de la materia prima que est ingresando al sistema y la del producto final obtenido.

Las mediciones de turbiedad son simples y pueden ser efectuadas por un operador capacitado. Las mediciones diarias durante la poca de lluvias permiten:

a) Evaluar la calidad del agua cruda.b) Establecer y supervisar el rendimiento de la planta.c) Desarrollar criterios para adecuar la operacin de la planta.d) Optimizar las caractersticas de las unidades.

1.1.17. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FILTRACIN LENTA:

La simplicidad de diseo y operacin, as como los requerimientos mnimos de compuestos qumicos y energa hacen que el filtro lento de arena sea una tcnica apropiada para el retiro de materia suspendida orgnica e inorgnica. Estos filtros tambin retiran organismos patgenos. La filtracin lenta con arena reduce las bacterias, la nubosidad y los niveles orgnicos, reduciendo as la necesidad de desinfeccin y consecuentemente, la presencia de subproductos de desinfeccin en el agua final.

Mnimos problemas de manejo de lodo.

No es necesaria la supervisin cercana del operador.

Los sistemas pueden hacer uso de materiales y de mano de obra disponible localmente. Los filtros lentos de arena pueden proveer incluso una excelente calidad de tratamiento de agua (Ver Tabla 1.) Los filtros lentos de arena demuestran constantemente su efectividad en el retiro de partculas suspendidas con turbiedades en los efluentes por debajo de 1.0 unidad de turbiedad nefelomtrica (NTU), alcanzando de un 90 a ms de 99% de reduccin en bacterias y virus, y ofreciendo un retiro virtualmente completo de los quistes Giardia lamblia y Cryptosporidium oocyst.

CUADRO DE RESUMEN: VENTAJAS Y DESVENTAJAS:

1.1.18. COSTOS DE EQUIPOS Y DE LA OPERACIN Y MANTENIMIENTO.

Los costos de inversin de los filtros lentos estn determinados, principalmente, por los costos del cemento, graba, acero de refuerzo, arena de filtro, tuberas, vlvulas y dems. Los precios de estos materiales varan, dependiendo de diversas circunstancias regionales y locales. Por lo tanto, lo que se presenta a continuacin es una estimacin de costos de materiales por unidad de produccin para cuatro diseos tpicos. Debe tenerse en cuenta que este cuadro est basado en informacin recogida de un proyecto de filtracin lenta; no incluye costos de mano de obra ni honorarios de los contratistas.

2. FILTRACIN RPIDA:

2.1. INTRODUCCIN: Como se explic en el captulos anterior sobre los filtros lentos de arena, la filtracin es el proceso mediante el cual se purifica el agua hacindola pasar a travs de un material el cual se purifica el agua hacindola pasar a travs de un material poroso (o medio). Para la filtracin rpida comnmente se usa la arena como el medio del filtro* pero el proceso es bastante diferente a la filtracin lenta en arena. Esto es debido a que se usa arena ms gruesa con un tamao efectivo de grano en la escala de 0.4-1.2 mm y el ritmo de filtracin es ms elevado, generalmente entre 5 y 15 m3/m2/hora (120-360 m3/m2/da). Debido a la arena gruesa usada, los poros del lecho del filtro sern relativamente grandes y las impurezas contenidas en el agua cruda penetraran al fondo en el lecho de filtro. Por esto, la capacidad del lecho del filtro para almacenar impurezas depositadas, es usada en forma mucha ms efectiva y se puede tratar hasta agua de rio muy turbia con la filtracin rpida. Para limpiar un lecho de filtro rpido, no es suficiente raspara la capa superior. La limpieza de los filtros rpidos se realiza mediante el lavado por corriente de agua limpia. Eso se hace dirigiendo un flujo elevado de agua a travs del lecho del filtro desde donde se expande y se arrastra.

2.2. APLICACIONES DE LA FILTRACIN RPIDA: Hay varias aplicaciones diferentes de la filtracin rpida en el tratamiento de agua para abastecimientos de agua de bebida. En el tratamiento del agua subterrnea, se usa la filtracin rpida para remover el hierro y el manganeso. Para ayudar al proceso de filtracin, frecuentemente se provee la aeracin como pre tratamiento para formar compuestos insolubles de hierro y manganeso (figura 2.1).

FIGURA 2.1: FILTRO RPIDO (ABIERTO, TIPO GRAVEDAD)

FIGURA 2.2: FILTRO RPIDO DE AGUA PRETRATADA (AERADA)

Para agua de turbiedad baja como la que se halla frecuentemente en lagos y algunas veces en rio, la filtracin rpida debe ser capaz de producir agua clara, la cual, sin embargo, puede contener aun bacterias patgenas y para obtener agua bacteriolgicamente segura.En el tratamiento de agua de rio con turbiedad elevada, se puede usar la filtracin rpida como pre tratamiento para reducir la carga en los filtros lentos de arena siguientes (figura 2.3) o se le puede aplicar para el tratamiento de agua que ha sido clarificada mediante coagulacin, floculacin y sedimentacin (figura 2.4).En tales casos se requiere nuevamente una clorinacin final.

FIGURA 2.3: FILTRO RPIDA SEGUIDA DE FILTRACIN LENTA EN ARENA)

FIGURA 2.4: FILTRACIN RPIDA DESPUS DE LA COAGULACIN, FLOCULACIN Y SEDIMENTACIN )

2.3. TIPOS DE FILTROS RPIDOS:

Los filtros rpidos se construyen en su mayora al descubierto pasando el agua al lecho del filtro mediante gravedad (figura 2.1).Para ciertas condiciones de operacin, son ms apropiados otros filtros rpidos que no sean del tipo de gravedad. Los ms importantes son: filtros de presin, filtros de flujo ascendente y filtros de medios mltiples.

2.3.1. FILTROS DE PRESION: (FIG. 2.5) Son de construccin similar a los filtros del tipo gravedad, pero el lecho de filtro y el fondo del filtro estn encerrados en un recipiente hermtico de presin hecho de acero. Aqu, la fuerza de conduccin para el proceso de filtracin es la presin del agua aplicada en el lecho de filtro, la cual puede ser tan elevada que se puede alcanzar casi cualquier longitud deseada de la carrera del filtro. Los filtros de presin estn disponibles comercialmente como unidades completas. No son tan fciles de instalar, operar y mantener. Por esta razn no son muy adecuados para aplicarlos en plantas pequeas de tratamiento en pases en desarrollo.

FIGURA 2.5: FILTROS DE PRESIN

2.3.2. FILTRO DE FLUJO ASCENDENTE: (figura 2.6) Sirven para un proceso de filtracin de grueso a fino. La capa gruesa del fondo del lecho de filtro criba la mayor parte de las impurezas suspendidas, incluso del agua cruda turbia, sin ningn aumento grande de la resistencia del lecho de filtro, debido a los poros grandes. Las capas finas sobrepuestas tienen poros ms pequeos pero aqu tambin la resistencia del filtro aumentara solo lentamente ya que no quedan muchas impurezas que filtrar.En los filtros de flujo ascendente se usa la arena como el nico medio de filtro. Frecuentemente, se les usa para el pre tratamiento de agua que es purificada nuevamente mediante filtros rpidos del tipo de gravedad o mediante filtros lentos de arena. En tales casos, los filtros de flujo ascendente pueden dar excelentes resultados y pueden ser muy adecuados para usarlos en plantas pequeas de tratamiento.Una desventaja es que la resistencia permisible en un filtro de flujo ascendente no es mayor que el peso sumergido del lecho de filtro. Siendo la arena el material de filtro, la carga disponible de resistencia es casi igual al espesor del lecho. As, para agua de rio muy turbia, la longitud de la carrera del filtro y la tasa disponible de filtracin estn muy limitadas.

FIGURA 2.6: FILTROS DE FLUJO ASCENDENTE

2.3.3. FILTROS DE MEDIOS MLTIPLES: (figura 2.7) Son del tipo gravedad, filtros de flujo descendente, cuyo lecho de filtro est compuesto de varios materiales diferentes, los cuales se colocan de grueso a fino en la direccin del flujo. Para filtros rpidos pequeos, es comn usar solo dos materiales en combinacin: 0.3-0.5 m de arena con un tamao efectivo de 0.4-0.7 mm como capa inferior. Cubierta por 0.5-0.7 m de antracita, piedra pmez o corteza molidas de coco con un tamao efectivo de 1.0-1.6 mm. Como tratamiento final, los filtros de capas mltiples pueden proporcionar resultados excelentes y, cuando se dispone localmente de materiales adecuados, bien vale la pena considerar su aplicacin en plantas pequeas de tratamiento.

FIGURA 2.7: LECHO DE FILTROS DE MEDIOS DOBLES

2.4. ASPECTOS TCNICOS: La remocin general de impurezas del agua por filtracin rpida, se lleva a cabo mediante una combinacin de varios procesos diferentes. Los ms importantes son: colado, sedimentacin, absorcin y procesos bacteriolgicos y bioqumicos. Estos son los mismos procesos ya descritos para la filtracin lenta en arena. Sin embargo, en la filtracin rpida el material del lecho del filtro es mucho ms grueso y el ritmo de filtracin es mucho ms elevado (hasta 50 veces mayor que en la filtracin lenta en arena). Estos factores alteran completamente la importancia relativa de los varios procesos de purificacin.El colado de impurezas en un filtro rpido no es importante debido a los poros relativamente grandes en el lecho del filtro. La sedimentacin no ser muy efectiva debido a las elevadas tasas de filtracin usadas. As, se retendr muchas menos impurezas mediante el colado y la sedimentacin que en el filtro de lento de arena. Especialmente las capas superiores del lecho del filtro sern muchos menos efectivas y habr una profunda penetracin de impurezas en todo el lecho del filtro rpido.En efecto ms importante de purificacin en la filtracin rpida es, con mucho, la absorcin de impurezas con carga elctrica hacia los granos del lecho del filtro con una carga elctrica opuesta, en un filtro rpido las cargas estticas naturales del material del lecho del filtro estn complementadas por cargas electrocinticas producidas por el flujo elevado de agua. Las partculas cargadas (iones) son arrastradas fuera de los granos del lecho de filtro con el resultado de que los granos quedan con una carga (opuesta). El efecto electrocintico refuerza grandemente la accin de absorcin.En un filtro lento de arena el agua permanece varias horas en el lecho de filtro, pero con filtracin rpida el agua pasa solo en unos cuantos minutos. Frecuentemente se remueve los atoros orgnicos acumulados en un filtro rpido cuando se limpia el filtro mediante el lavado por corriente de agua limpia. Hay muy poco tiempo y oportunidad de que se desarrolle cualquier biodegradacin de materia orgnica y de que se produzca la muerte de bacterias patgenas y virus. La degradacin limitada de materia orgnica no necesita ser una desventaja seria ya que los atoros acumulados sern lavados del filtro durante el lavado por corriente de agua limpia. Por lo general, la pobre actividad bacteriolgica y bioqumica de un filtro rpido ser insuficiente para producir agua bacteriolgicamente segura. De aqu que ser necesario un nuevo tratamiento, tal como la filtracin lenta en arena o clorinacin, para producir agua que sea apta para la bebida y para propsitos domsticos.

2.5. OPERACIN Y CONTROL DEL FILTRO RPIDO:

2.5.1. Operacin: En la figura 2.8 se muestra esquemticamente la operacin de un filtro rpido (tipo gravedad). Durante la filtracin el agua ingresa al filtro a travs de la vlvula A desciende hacia el lecho de filtro, fluye a travs de l, pasa el sistema de desage inferior (fondo del filtro) y fluye el exterior a travs de la vlvula B. Debido al atoro gradual de los poros, la resistencia del lecho de filtro contra el flujo descendente del agua aumentara gradualmente. Esto reducir el ritmo de filtracin que est compensado por un nivel creciente de agua cruda sobre el lecho del filtro. Frecuentemente, los filtros rpidos son diseados para operar con un nivel constante de agua cruda, el cual requiere que el filtro este equipado con un dispositivo de control de ritmo en la lnea del afluente o del efluente. Estos controladores del ritmo del filtro proporcionan una resistencia ajustable al flujo del agua. Se abren gradual y automticamente para compensar la creciente resistencia del lecho del filtro y as, mantener constantes las condiciones de operacin del filtro rpido.

FIGURA 2.8: FILTRO RPIDO (TIPO GRAVEDAD)

Cuando despus de cierto tiempo de operacin, se abre completamente el controlador del ritmo del filtro, ya no se podr compensar un nuevo atoro del lecho del filtro y el ritmo de filtracin disminuir. Entonces se retira de servicio el filtro para lavarlo por corriente de agua limpia. Para esto, se cierra las vlvulas A y B y se abre las vlvulas D para drenar el agua cruda restante fuera del filtro. Unos cuantos minutos despus se abre la vlvula E para admitir el agua de lavado. La fuerza de lavado por corriente de agua debe ser lo suficientemente elevada para expandir el lecho de filtro de tal forma que se pueda arrastrar los granos de este y que los atoros acumulados sean retirados con el agua de lavado. El agua de lavado es recolectada en los pasantes desde donde se le drena hacia el desage. Cuando se completa el lavado por corriente de agua limpia, se cierra las vlvulas E y D y se vuelven a abrir la vlvula A, permitiendo que el agua cruda empiece un nuevo recorrido del filtro.Para el material fino del lecho de filtro, la accin de arrastre producida por el agua de lavado durante el lavado por corriente puede a la larga no ser suficiente para mantener limpio el lecho de filtro. Entonces es deseable un arrastre adicional usando aire y agua en combinacin para el lavado por corriente de agua, sin embargo, esto es mucho ms complejo que lavar solo con agua y por lo general, no es recomendable un lavado con aire y agua para plantas pequeas de tratamiento.

2.5.2. Control: Hay varios tipos de controladores de ritmo de filtracin: dispositivo de control de ritmo de ingreso (igual distribucin o divisin de flujo) y dispositivos de control del ritmo de salida (vlvulas operadoras a nivel, vertederos de derrame y sifones). Bsicamente, los arreglos de control de filtro se pueden dividir en tres grupos:

1. Cada filtro tiene un controlador individual de ritmo que mantiene la produccin de agua filtrada en la escala constante deseada.2. El flujo total de agua a travs de la planta del filtro es controlado mediante el ritmo en el cual se extrae el agua filtrada.3. Igual que en el 2, pero las unidades del filtro operan en ritmos individuales descendentes.

Los controladores individuales de ritmo permiten a cada unidad de filtro operar a su velocidad ptima de filtracin (figura 2.9). Sin embargo, esta ventaja no es muy grande y esos controladores de ritmo por lo general son muy caros y no son fciles de mantener.

FIGURA 2.9: CONTROL DE TASA DE FILTRO

Los arreglos de control de filtro que usan una distribucin uniforme del agua cruda (divisin de flujo) sobre las unidades de filtro o para una extraccin uniforme del agua filtrada, son usados ampliamente en Europa y Norte de Amrica. Se puede usar varios mtodos. Probablemente el que se muestra en la figura 2.10b es el ms simple ya que no tiene partes movibles. En este tipo, el agua cruda ingresa el filtro sobre un vertedero. Para todos los filtros la cresta del vertedero se encuentra al mismo nivel. Al conducto de agua cruda que alimenta a las unidades de filtro se le da un tamao considerable de tal forma que el agua fluir sin ninguna prdida apreciable de carga. El nivel de agua en l ser prcticamente el mismo en cada vertedero de entrada. As, el ritmo de derrame en cada vertedero ser distribuido en forma equitativa.Se puede controlar el ritmo de filtracin conjuntamente para todas las unidades de filtro mediante el ritmo de alimentacin del agua cruda. Se le puede adaptar fcilmente para satisfacer la demanda de agua filtrada. En este arreglo habr variaciones considerables del nivel de agua cruda en los filtros, lo cual puede ser objetable. De ser as, se puede preferir otro arreglo como se muestra en la figura 2.10c. Aqu, se usa una vlvula controlada con flotador para mantener constante el nivel del agua cruda en cada filtro.Frecuentemente, se usa los filtros rpidos para tratar agua que ha sido pre tratada mediante coagulacin, floculacin y sedimentacin; entonces, sirven para retener los flculos procedentes de los tanques de sedimentacin. Se debe prevenir cualquier rotura de estos flculos y los vertederos de entrada mencionados anteriormente no son adecuados en estos casos. El arreglo que se muestra en la figura 2.10a sera mucho mejor. Cada filtro est equipado con una caja flotante en la cual se mantiene constante el nivel de agua, en el mismo nivel en todas las unidades de filtro, con una vlvula controlada con flotador. El canal efluente debe tener un tamao considerable para asegurar que el nivel del agua ser prcticamente el mismo en cada compuerta de efluente del filtro. El ritmo general de produccin de todos los filtros conjuntamente puede ser controlado ahora mediante el ritmo en el cual se extrae el agua filtrada.

FIGURA 2.10: SISTEMA DE CONTROL DE FILTRO

2.6. FILTRACIN A RITMO ASCENDENTE: Cuando no se usa controladores de ritmo de filtracin, se realizara la filtracin en un ritmo descendente. El diseo de filtros a ritmo descendente es mucho ms simple que el filtro de ritmo controlado. Se puede usar leos simples de detencin o compuertas para el control del filtro (figura 2.11).

FIGURA 2.11: FILTRACIN DE TASA DECLINANTE

Todos los filtros estn en conexin directa con los conductos de agua cruda y de agua filtrada. Consecuentemente, todos tienen el mismo nivel de agua cruda y el mismo nivel de agua filtrada, de tal forma que todos los filtros operaran bajo la misma carga. Sin embargo, el ritmo de filtracin para las varias unidades de filtro ser diferente: ser ms elevado en el filtro recin lavado mediante retro lavado y ms bajo en el que tiene un mayor movimiento en la jornada corriente del filtro. Para todos los filtros en forma conjunta, la produccin estar determinada por el abastecimiento de agua cruda, el cual debe ser suficientemente elevado para satisfacer la demanda de agua filtrada. Durante la filtracin, los lechos de filtros se atoran gradualmente y el nivel de agua cruda en todos los filtros se eleva debido de filtro que ha estado en operacin por el periodo de tiempo ms largo probablemente alcanzara primero el nivel mximo permisible de agua cruda y necesitara limpieza mediante retro lavado. Despus de su limpieza, este filtro tendr la resistencia ms baja contra el flujo, de tal forma que una porcin considerable del agua cruda abastecida pasara a este filtro. La carga en los otros filtros ser reducida temporalmente. Esas unidades mostraran una baja en el nivel de agua cruda. Cuando en un segundo filtro se alcanzara el nivel mximo de agua cruda, este ser lavado mediante retro lavado y as sucesivamente.Si no se toma medidas especiales, la escala de filtracin en un filtro de ritmo descendente, justo despus de la limpieza, puede ser muy elevada, hasta 25 m3/m2/hora, lo cual es mucho ms elevado que la tasa promedio de 5-7 m3/m2/hora. Cuando es necesario limitar el ritmo de filtracin con el fin de salvaguardar la calidad del agua filtrada, se debe colocar un dispositivo extra de resistencia de flujo (por ejemplo, un orifico) en la lnea de influente.Para los filtros de presin, la filtracin de ritmo descendente es una prctica comn. Para los filtros rpidos de tipo gravedad, su aplicacin aumenta gradualmente en Gran Bretaa, en Amrica Latina y tambin, en una escala limitada, en Norte de Amrica. Debido a su simplicidad, la filtracin de ritmo descendente est siendo considerada para plantas pequeas de tratamiento en pases en desarrollo.

2.7. CONSIDERACIONES PARA EL DISEO:

Se necesita seleccionar cuatro parmetros para el diseo de un filtro rpido. El tamao de grano del material de filtro, el espesor del lecho de filtro, la profundidad del agua sobrenadante y el ritmo de filtracin. En la medida de lo posible, estos factores de diseo deben basarse en la experiencia obtenida en las plantas existentes que tratan la misma agua cruda o una comparable. Cuando no existe tal experiencia, el diseo debe basarse en los resultados obtenidos en una planta piloto que opere filtros experimentales.

2.8. ARREGLOS PARA EL RETRO LAVADO:

Un filtro rpido se limpia mediante lavado con corriente de agua, esto es, dirigindose un flujo de agua limpia hacia arriba a travs del lecho de filtro por un periodo de unos cuantos minutos. Se puede usar el agua filtrada acumulada mediante bombeo en un tanque elevado, o directamente el efluente de las otras unidades de filtro (en operacin) de la planta de filtracin (arreglos de auto lavado). La velocidad del flujo ascendente de agua debe ser lo suficientemente elevada para producir una expansin de lecho de filtro de tal forma que se pueda aflojar y retirar con el agua de lavado los atoros acumulados.FIGURA 2.12: RETROLAVADO DE UN FILTRO RPIDO

En el cuadro 1 se presenta una lista de las escalas tpicas de retro lavado que proporcionan una expansin de aproximadamente 20 por ciento para un lecho de filtro de arena (peso especfico: 2.65 g/cm3).

Cuadro 1:

Escalas tpicas de retro lavado dmmt0.40.50.60.70.80.91.01.11.2

Escala de retro lavado (m3/m2/hora)

10 C121722283440475462

20 C142026334048566473

30 C162330384756657586

d = tamao promedio de grano de la arena del filtro (mm)t = temperatura de agua de retro lavado (C)v = tasa de retro lavado (m3/m2/hora)

Si se abastece el agua de lavado con bombas, normalmente se usa un numero de tres (en instalaciones muy pequeas, dos) de las cuales una sirve como unidad de reserva. Para ritmos elevados de retro lavado y reas ms grandes de lecho de filtro, estas bombas necesitan ser de una gran capacidad por lo que su instalacin y operacin son bastante caras. Entonces, es preferible un reservorio de agua de lavado tal como el que se muestra en la figura 2.13, las bombas pequeas sern adecuadas para llegar el reservorio durante los intervalos entre los lavados sucesivos. Por lo general, el reservorio debe tener una capacidad entre 3 y 6 m3 por m2 de rea del lecho de filtro y se le debe colocar de 4 a 6 metros sobre el nivel del agua en el filtro.Usualmente se provee tres bombas para bombear agua hacia el tanque de agua de lavado; una de estas es la unidad de reserva. La capacidad total de las dos bombas en operacin debe ser de aproximadamente 10-20% de la escala de abastecimiento del agua de lavado. Un tanque especial de agua de lavado o un reservorio no son necesarios cuando el agua de lavado requerida es tomada del reservorio de agua filtrada. Sin embargo, esto puede causar fluctuaciones no deseadas de la presin en el sistema de distribucin debido al abastecimiento interrumpido de agua.

FIGURA 2.13: ARREGLO DE TANQUE DE AGUA DE LAVADORPIDO

Una solucin ms simple consiste en aumentar la profundidad del agua que permanece sobre el lecho del filtro y limitar la resistencia mxima del filtro .Entonces el agua filtrada estar disponible en una carga de 1.5 a 2 metros sobre el lecho de filtro, lo cual debe ser suficiente. Las unidades en operacin de la planta de filtracin deben abastecer agua suficiente para el ritmo requerido de retro lavado. Por esto, una planta de filtracin rpida que use este arreglo de retro lavado debera tener por lo menos seis unidades de filtro.El agua de lavado es admitida en la parte de abajo del lecho de filtro a travs del sistema de desage inferior (fondo del filtro). Para dividir uniformemente el agua el lavado sobre toda el rea del lecho de filtro, el sistema de desage inferior debe proveer una resistencia suficiente contra el paso del agua de lavado (generalmente 0.6-1.0 metros de carga de agua)Figura 2.14: SISTEMAS LATERALES DE DESAGE INFERIOR

Un sistema de desage inferior usado frecuentemente consiste en laterales colocados con una separacin aproximada de 0.2 m y conectados a un tubo mltiple (Figura 2.14).Los laterales tienen perforaciones en la parte de abajo, con un dimetro de aproximadamente 10 mm. Por lo general, se usa tuberas de cemento asbesto y plstico rgido en este sistema de desage inferior.Para evitar que el material de filtro ingrese a los laterales a travs de las perforaciones, el lecho de filtro debe ser sostenido por una capa de material grueso (por ejemplo grava) que no sea desalojada por el agua del lavado impulsada desde las perforaciones de desage inferior. Por ejemplo, la arena de filtro de 0.7-1.0 mm de tamao efectivo requerira 4 capas de grava; desde la parte superior hasta el fondo; 0.15m X 2-2.8 mm, 0.1m X 5.6-8 mm, 0.1m X 16-23mm y 0.2m X 38-54mm; el paquete total de grava tendr 0.55m de profundidad.Figura 2.15: CONDICION DE FLUJO EN CANALETAS DE AGUA DE LAVADO

Despus de pasar por el lecho de filtro, el agua de lavado que transporta las impurezas lavadas es colectada y drenada al exterior mediante las canaletas de agua de lavado. La distancia que el agua de lavado tendr que viajar en forma horizontal hacia la pileta debe estar limitada a aproximadamente 1.5-2.5m. Se coloca las piletas con su parte superior a 0.5-0.6m sobre el lecho de arena no expandido y su rea transversal depender de que en el extremo de la pileta, la profundidad del agua sea la profundidad de descarga libre (Critica)(Figura 2.15). El cuadro 2 proporciona los ritmos de flujo de agua de lavado (Q) para combinaciones de flujo profundo de agua de lavado (H) y ancho de la canaleta de agua de lavado (b).Cuadro 2:Capacidad de las canaletas para llevar agua de lavado (litros/seg)

FIGURA 2.16: ARREGLOS TPICOS DE CANALETAS DE AGUA DE LAVADO

Se pueden colocar las canaletas de agua de lavado de varias maneras. La figura 16 muestra arreglos tpicos.Particularmente cuando se usa arena fina, con un tamao de grano inferior a aproximadamente 0.8mm, la fuerza de arrastre del agua de lavado ascendente puede ser inadecuada para mantener limpios los granos del filtro en la jornada larga. Despus de cierto tiempo pueden abrirse con una capa pegajosa de materia orgnica. Esto puede causar problemas tales como bolas de lodo y rajaduras en el filtro (Figura 2.17).

Figura 2.17: BOLAS DE LODO Y RAJADURAS EN EL FILTRO

Estas se pueden prevenir proveyendo un arrastre adicional a travs de lavado por aire. La limpieza del filtro se inicia ahora con un lavado por corriente de aire en un ritmo de 30-50m/hora, por lo general combinado con un lavado con agua en un ritmo de 10-15m/hora. Esto debe remover los recubrimientos de los granos de filtro y el siguiente lavado con agua retira el material aflojado. Para el retro lavado con corriente de aire es necesario un sistema separado de tuberas. En la figura 2.18 se muestra un ejemplo. Se debe remarcar que el retro lavado por corriente de aire y agua es generalmente un arreglo demasiado complejo para plantas pequeas de tratamiento de agua.

Figura 18: RETRO LAVADO POR CORRIENTE DE AGUA Y AIRE.

En la figura 2.19 se muestra un arreglo interesante para alimentar aire y agua para el retro lavado. El retro lavado se inicia permitiendo que el agua de la cmara 1 fluya hacia la cmara 2. El aire de la cmara 2 se presuriza y es admitido para el arrastre del filtro. Luego se usa el agua colectada en la cmara 2 para el retro lavado del filtro.Disposicin de planta de filtracin rpida Una planta de filtracin rpida consiste en un nmero de unidades de filtro (mnimo 2) cada una con un rea A. Cuando un filtro est fuera de funcionamiento por limpieza, las unidades restantes deben ser capaces de proveer la capacidad requerida Q en el ritmo seleccionado de filtracin r. Esto se expresa en la frmula:

Para plantas pequeas hay poca alternativa en lo que respecta a las combinaciones adecuadas n y A, pero para plantas mayores, la alternativa debe ser tal que se minimice el costo de construccin. Como un paso tentativo de diseo, el rea del lecho de la unidad de filtro (A) expresada en metros cuadrados puede ser tomada como aproximadamente 3.5 veces el nmero de unidades de filtro n.Para economizar en la construccin y operacin, se debe colocar las unidades de filtro en un grupo compacto con las lneas de afluente y efluente y cualquier lnea de alimentacin de sustancias qumicas lo ms cerca posible.La colocacin de las diferentes unidades de una planta de filtracin rpida es un tema que garantiza la ms minuciosa atencin del ingeniero de diseo. Se debe hacer cierta concesin para una futura expansin de la planta. En la figura 2.20 se muestra un ejemplo.

Figura 2.19: ARREGLO PARA RETROLAVADO POR CORRIENTE DE AGUA Y AIRE.

FIGURA 2.20: DISPOSICION DE PLANTA DE FILTRACION RAPIDA

Muchos diseos ubican el edificio de servicio en el centro mientras que en los extremos, varias unidades de filtro estn dispuestas en uno o dos lados del corredor de dos niveles, siendo el nivel superior el piso de operacin y el nivel ms bajo la galera de tuberas.

2.9. CONSTRUCCION:Como se explic en las secciones anteriores, un filtro rpido consiste en un tanque que contiene el sistema de desage inferior, el lecho de filtro y el agua sobrenadante. Mayormente el tanque de filtro es hecho de cemento reforzado, rectangular y con paredes verticales. El diseo de la estructura de concreto sigue las reglas comunes con la dificultad agregada que las estructuras que retienen el agua deben ser hermticas. Se debe proveer una cubierta amplia de concreto para proteger las barras de refuerzo contra la corrosin.Se debe colocar todas las barras lo suficientemente distantes para permitir que el concreto las rodee completamente. Se debe mantener al mnimo las tensiones de carga. Cualquier tensin que se desarrolle en el concreto debido al secado, contraccin, cambios de temperatura y diferencias en la subsidencia del suelo, debe estar limitada en lo posible, subdividiendo el edificio en un nmero de secciones independientes conectadas con uniones hermticas de expansin. La mezcla de concreto del contenido de cemento y la colocacin de la mezcla debe buscar, en la medida de lo posible, una completa impermeabilidad y la menor contraccin por secado durante el endurecimiento. Nunca se debe usar un acabado de yeso. Se debe obtener un buen acabado usando contraventanas suaves, por ejemplo, hechas de madera laminada. Para evitar el corte de circuito del flujo de agua a lo largo de las paredes de la caja de filtro, la contraventana inferior opuesta al lecho de filtro debe ser hecha de planchas no planas colocadas horizontalmente. Cuando sea posible, se debe colocar los filtros sobre la napa ms elevada de agua subterrnea, si fuera necesario en terreno elevado.En el pasado se desarroll numerosos sistemas de desage inferior (popularmente conocidos como fondos de filtro) pero desafortunadamente muchos son muy caros o no pueden asegurar una distribucin uniforme del agua de lavado en todo el lado inferior del lecho de filtro. El sistema simple descrito anteriormente, que usa laterales perforados, puede construirse de tal forma que se obtenga una buena distribucin del agua de lavado. Tiene la ventaja adicional de que se le puede hacer de materiales localmente disponibles usando conocimientos locales. Otra buena solucin es el sistema de fondo falso y colador de desage inferior. Consiste en losas de concreto prefabricado de aproximadamente 0.6X0.6 m2, colocadas sobre y ancladas a pequeas columnas de concreto como se muestra en la figura 2.21.

FIGURA 2.21: SISTEMA DE DESAGE INFERIOR CON FONDO FALSO Y COLADORES

Las losas estn provistas de huecos, aproximadamente 60 por metro cuadrado, en los cuales se coloca los coladores (Figura 2.22). Las hendiduras en estos coladores son estrechas, aproximadamente de 0.5mm, ofreciendo una resistencia suficiente contra el paso del agua de lavado para una distribucin pareja del agua. Este sistema de desage inferior permite que se coloque la arena del filtro directamente sobre el fondo del filtro con los coladores y no es necesaria ninguna capa complementaria de grava.

Figura 22: COLADORES DE PLSTICO

El trabajo de un filtro rpido lo realiza el lecho de filtro y se debe prestar una atencin considerable a su composicin. La arena como material de filtro ha demostrado dar resultados excelentes, es barata y por lo general disponible; y por estas razones, ampliamente usada. Para los lechos de filtro simples-medios no hay razn para usar otros materiales de filtro, excepto en casos muy especiales. Para evitar una clasificacin hidrulica durante el retro lavado, lo que llevara a los granos finos a la parte superior y a los granos gruesos al fondo del lecho de filtro, se debe usar arena de filtro lo ms uniforme posible en tamao. Debe tener un coeficiente de uniformidad inferior a 1.7, preferiblemente tan bajo como 1.3. Los requerimientos para la graduacin de la arena de filtro son dados mejor como porcentajes mximos y mnimos de material que pasa por varias cribas de mallas de tamao estndar. Para una especificacin grfica, se puede trazar un diagrama como en la figura 2.23.

FIGURA 2.23: ESPECIFICACION DE LA ARENA DE FILTRO PARA EL PRETRATAMIENTO DEL AGUA DEL RIO

2.10. FILTRACION RAPIDA APLICADA A PEQUEAS COMUNIDADES Debido a su construccin y diseo complejo y a la necesidad de operacin explcita, los filtros rpidos no son muy adecuados para su aplicacin en plantas de tratamiento de agua a escala de pequeas comunidades. Esto es especialmente cierto para su uso como filtros finales en el tratamiento de agua turbia de ro. Entonces, la seguridad bacteriolgica del agua filtrada tiene que ser asegurada mediante la pos clorinacin con todas sus dificultadas asociadas. Sera mejor usar los filtros lentos de arena que ofrecen un filtrado bacteriolgicamente seguro, pero estos pueden sufrir de atoro rpido causado por la turbiedad presente en el agua cruda.Se puede remover la materia suspendida del agua cruda a travs de varios procesos tales como: almacenamiento, coagulacin y floculacin y sedimentacin. Sin embargo, slo los filtros rpidos son capaces de producir en forma constante agua clara con una turbiedad inferior a 5 UTF. Esto asegurar la operacin fluida de cualquier filtro lento siguiente.Debe haber pocas objeciones contra una aplicacin tal de los filtros rpidos. El uso de la filtracin rpida para la remocin de hierro y manganeso del agua subterrnea tambin presenta pocos problemas, ya que el riesgo para la salud de la posible contaminacin del agua tratada ser pequeo .Suponiendo un uso de agua de 40 litros/persona/da, la capacidad requerida de filtracin de agua para 10000 personas sera de 400 m3/da o 40 m3/hora para un perodo diario de operacin de 10 horas. Con una tasa de filtracin de 5m/hora, esto requiere un rea de lecho de filtro de 8 m2, la cual se puede proveer en tres filtros circulares de 2m de dimetro cada uno (un filtro como reserva).Probablemente sera mejor que el sistema de desage inferior estuviera hecho de laterales perforados (vase seccin 4) cubiertos con capas graduadas de grava, piedras rotas ladrillos duros cincelados al tamao deseado. Cuando se dispone de arena gruesa se le debe graduar usando tamices adecuados. Los lmites de graduacin seran 0.8mm 1.2mm para los pre filtros; 1.0mm-1.5mm para los filtros de remocin del hierro y manganeso. Para los pre filtros del espesor del lecho de arena se debe tomar en 1.0m y para los filtros de remocin del hierro y manganeso en 1.5m. En el caso que no se puede obtener la arena, se pude usar materiales similares, tales como piedras quebradas, ladrillos, carbonato de calcio cristalino, dolomita, etc. Estos deben ser graduados a un tamao aproximado 40 por ciento ms grande que los tamaos mencionados anteriormente. En algunas instancias, las cscaras quemadas de arroz y las cortezas quebradas de coco han proporcionado resultados aceptables. Antes de habilitar el filtro se le debe lavar por corriente de agua durante aproximadamente media hora para limpiar el material de filtracin. Se puede fijar la profundidad del agua sobrenadante en entre 1.5-2m. Entonces la caja de filtro tendr una profundidad total de 3.5-4m. La mayor dificultad encontrada en la filtracin rpida a escala de pequeas comunidades es el proceso de retro lavado. No es econmico usar una bomba de agua de lavado. En el ejemplo presentado anteriormente, se necesitara una capacidad de 100-200m3/hora, en duplicado para considerar fallas mecnicas. Comparada con la capacidad de planta de 40 m3/hora, pero se debe tener en cuenta los costos del tanque. Para poblados con edificios bajos, la presin en el sistema de distribucin, por lo general, no necesita ser mayor a 6m. En estos, una buena solucin ser usar un reservorio elevado de servicio para el retro lavado de los filtros. No ser necesaria ninguna bomba separada.En la figura 2.24 se muestra la distribucin de la planta de filtracin rpida descrita anteriormente. El agua cruda ingresa al filtro a travs de la vlvula A y cae en canaleta de agua de lavado para dispersar la energa de flujo. Las tuberas ramales en las cuales se coloca la vlvula A, tienen un dimetro pequeo que proporciona suficiente resistencia de flujo (por ejemplo 0.5m de la carga) para asegurar una distribucin pareja del agua cruda sobre las unidades individuales de filtro. El agua filtrada es descargada a travs de la vlvula D y pasa sobre un vertedero colocado en la cmara de derrame. La parte superior del vertedero es colocada tan alto que el nivel ms bajo de agua cruda en el tanque de filtro estar por lo menos 0.2m sobre el lecho de filtro. Debido al atoro, el nivel del agua sobrenadante se elevar hasta alcanzar el nivel de presin del agua en la tubera de abastecimiento; ya no ingresar ms agua al filtro. Entonces, se debe limpiar el filtro alimentando el agua de lavado a travs de la vlvula C y descargndola a travs de la vlvula B. El agua sucia de lavado debe ser clarificada mediante sedimentacin despus de lo cual se le puede descargar de nuevo hacia el ro a cierta distancia agu