Uso de filtros lentos para el tratamiento de agua a nivel

Octubre del 2000
INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIII, No. 1, 2002
Uso de filtros lentos para el tratamiento
de agua a nivel domiciliario
INTRODUCCIÓN
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.1
Se estima que en el país alrededor del 40 % de los
hogares recibe agua no desinfectada o no desinfectada
adecuadamente, lo que resulta en una calidad
microbiológicamente peligrosa, siendo esta la mayor causa
de enfermedad y muerte. 2
La implementación de tecnologías apropiadas para la
purificación del agua, constituye una práctica usual hoy
día 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.
Según la literatura consultada 3 en la práctica
internacional se conocen dos tipos de filtros a gravedad:
el filtro rápido y el filtro lento. También es usual,
internacionalmente el empleo de la arena como medio
filtrante, aunque en algunas plantas se utiliza antracita
finamente picada, como material de filtro (tabla 1).
Los filtros lentos de arena son los tipos de filtros más
viejos que se usaron para el abastecimiento público de
agua potable, siendo construidos por primera vez en el
año 1829 por James Simpson para la compañía de agua
Chelsea de Londres.
Se han estado aplicando desde entonces en países en
vías de desarrollo, sin embargo, por su eficiencia en la
remoción de gérmenes patógenos que son resistentes a
la acción bactericida del cloro, como desinfectante más
generalizado, han motivado que se despierte nuevamente
el interés por el uso de los mismos en países desarrollados.
Resumen / Abstract
La implementación de tecnologías apropiadas para la purificación
del agua constituye una práctica usual hoy día en los países en
vías de desarrollo, entre las cuales se encuentran los filtros lentos
de arena para el tratamiento del agua a nivel domiciliario y local.
En el presente trabajo se evalúa un prototipo de filtro lento de
arena con una velocidad de filtración de 0,2 m/h y un caudal de
0,87 L/min. En el mismo se observó que la incorrecta limpieza y
desinfección de la arena utilizada como medio filtrante y las
características de calidad del agua cruda empleada, deben haber
influido en la eficiencia de remoción, fundamentalmente al inicio
de la explotación del filtro. Sin embargo, se observó un incremento
en la eficiencia de remoción del color y los coliformes totales y
fecales a 56,2 %, 84,3 % y 59,1 % respectivamente después del
período de maduración del filtro. Finalmente se recomienda el
uso de estos filtros para el área rural donde no existe sistema
comunitario de agua potable, necesitándose establecer un sistema
de desinfección con cloro para el efluente.
Palabras clave: filtros lentos de arena
The implementation of appropriate technologies for the purification
of water, such as slow sand filtration, is nowadays being used
very often at housing and local level in many developing countries.
In the present paper, a kind of slow sand filter with a filtration
velocity of 0,2 m/h and a flow of 0,87 L/min is evaluated. The
inadequate clean and disinfection of the sand used as a filtering
material and the characteristics of the raw water had a great
influence on the removal efficiency, mainly at the beginning of the
experiment. However, the colour, total and faecal coliforms removal
efficiencies increased up to 56,2 %, 84,3 % and 59,1 % respectively
after the maturation period of the filter. Finally, the use of these
filters for the rural area where there is not a community drinking
water supply system is recommended, nevertheless a disinfection
system with chlorine has to be applied for the effluent.
Key words: such as slow sand filtration
Leonardo Ramírez Medina, Licenciado en Construcción Civil, Profesor de Hidráulica, Acueducto y Alcantarillado, Centro
Politécnico de la Construcción Pedro Téllez Valdés, Pinar del Río
e-mail: unaiccpr@mail.upr.edu.cu
Noel S. Pérez Duarte, Ingeniero Hidráulico, Jefe del Departamento de Higiene Comunal, Unidad Municipal de Higiene y
Epidemiología, Pinar del Río
email: perez@princesa.pri.sld.cu
44
Tabla 1
Criterios de diseño y operación de los filtros lentos y rápidos de arena7
Aspectos
Filtros lentos
Filtros rápidos
Velocidad de filtración
0,1 a 0,2 a 0,4 m/h
4 a 5 a 21 m/h
Tamaño del filtro
Grande, 2 000 m2
Pequeño, 40 a 400 m2
Profundidad del lecho
30 cm de grava, 90 a 110 cm
30 a 45 cm de grava, 60 a
de arena normalmente
70 cm de arena, no reducida
reducida a no menos de 50 cm por el lavado.
a 80 cm por el raspado
Tamaño de la arena
Diámetro efectivo de 0,25 a
0,30 mm y coeficiente de
uniformidad de 2 a 2,5 a 3
Diámetros efectivos de
0,55 mm y superiores,
coeficiente de uniformidad
de 1,5 y menores,
dependiendo del sistema de
drenaje.
Distribución del tamaño
del grano de la arena
en el filtro
No estratificado.
Estratificado con los granos
más pequeños y menos
pesados en la cima y los
más gruesos y pesados en
el fondo
Pérdidas de carga
6 cm al inicio a 120 cm al final
30 cm al inicio a 240 ó
275 cm al final
Duración de la corrida
entre limpiezas
20 a 30 a 60 d
12 a 24 a 72 h
Penetración de la
materia orgánica
Superficial
Profunda especialmente en
medios filtrantes mixtos
Método de limpieza
Quitando la capa superficial de
arena mediante raspado y
lavado y almacenando la
arena limpia para restablecerla
nuevamente
Desalojando y removiendo
la materia suspendida
mediante flujo ascendente o
retrolavado, lo cual fluídiza el
lecho. Posible uso de un
sistema auxiliar de limpieza.
Cantidad de agua
usada en la limpieza
de la arena
0,2 a 0,6 % del agua filtrada
0,1 a 4 a 6 % del agua
filtrada
Tratamiento
preparatorio del agua
Generalmente ninguno cuando
la turbiedad del agua cruda es
menor de 50 NTU
Coagulación-floculación y
sedimentación
Tratamiento adicional.
Cloración.
Cloración.
Costo de construcción.
Relativamente bajo.
Relativamente alto.
Costo de operación
Relativamente bajo cuando se
limpia la arena en el lugar.
Relativamente alto.
Costo de depreciación.
Reltivamente bajo.
Relativamente alto.
45
Los rasgos generales de la construcción y operación
de estos filtros aparecen en la tabla 1 con el objetivo de
que los mismos puedan ser comparados.
La remoción completa asociada a procesos de filtración
se lleva a cabo por la combinación de fenómenos
diferentes, de los cuales los más importantes son: la
filtración mecánica, sedimentación, adsorción, actividad
bioquímica y actividad bacteriológica. 4
La experiencia internacional4-6 expresa que en el llamado
proceso de filtración lenta, el agua con una velocidad de
circulación relativamente baja, es obligada a atravesar una
capa de arena en la que se han desarrollado condiciones
favorables para una acción biológica. Esta acción actúa a
medida que se desarrolla, en torno a las partículas de
arena, colonias de organismos microscópicos y algunas
bacterias del agua. En su metabolismo estos organismos
remueven las impurezas orgánicas y las bacterias
patógenas, y oxidan compuestos nitrogenados; el ciclo
del nitrógeno se completa hasta la fase de mineralización
total de la materia orgánica. El desarrollo de estos
organismos responsables de la acción biológica se
concreta casi exclusivamente a la superficie de la capa
de arena, y alcanza, como máximo una profundidad de
2 a 3 cm formándose una película biológica.
En dicha zona se desarrollan formaciones gelatinosas
conocidas como schmutzdecke, que confieren a la capa
de arena el poder de retener impurezas finas, como
materias coloidales, suspensiones finas y bacterias. La
acción biológica se hace verdaderamente efectiva cuando
la película alcanza su pleno desenvolvimiento, que, en un
filtro nuevo tarda cierto tiempo llamado período de
maduración del filtro.
Con el tiempo, los intersticios de la capa superficial de
la arena se van obstruyendo, y se hace necesaria su
renovación para limpieza mediante el raspado de la capa
de arena sucia que está encima hasta una profundidad
que varía de uno a varios centímetros.
MATERIALES Y MÉTODOS
El material fundamental lo constituyó un filtro de arena
construido, el cual fue ubicado convenientemente en el
área donde está enclavada la planta potabilizadora de Agua
del acueducto Kilo 5, sito en el km 5 de la carretera a Luis
Lazo, en Pinar del Río, con el objetivo de poder contar
con el agua de la fuente de abasto (Presa Guamá) del
acueducto anteriormente mencionado y poder además
comparar los resultados de calidad del agua a la salida
del filtro lento con los obtenidos a la salida de la planta.
Para la construcción del filtro se utilizó un tanque
cilíndrico de 0,58 m de diámetro y 0,86 m de altura con
una capacidad de 55 galones, al cual se le colocó en su
parte inferior una plancha perforada que sirve como soporte
del lecho filtrante. A continuación, y en orden ascendente,
se colocó una capa de grava gruesa de 0,05 m de espesor,
con un diámetro aproximado de 19 mm, una capa de gravilla
de 0,03 m de espesor y una capa de arena de 0,55 m.
Al tanque se le colocó en su parte inferior una tubería
de hierro galvanizado (HoGo) de 13 mm de diámetro que
sirve para recoger el agua filtrada, cuya salida queda 0,73
m por encima. La arena utilizada como medio filtrante
procede del río Paso Viejo y el análisis granulométrico
arrojó los resultados que se dan en la tabla 2.
Tabla 2
Análisis granulométrico de la arena
Tamaño del tamiz
(mm)
Masa retenida
(g)
Masa retenida
acumulada
(g)
Masa retenida
acumulada
(%)
Masa que
pasa
(%)
9,52
0
0
0
100
4,76
14,10
14,10
5
95
2,00
22,50
36,60
13
87
0,84
45,04
81,64
29
71
0,42
73,18
154,82
55
45
0,25
81,64
236,46
84
16
0,105
40,54
277,00
98,4
1,6
0,074
4,50
281,50
100
0
Total
281,5
Fuente: Resultados del muestreo
Los resultados son: d10 = 0,190 mm, d60 = 0,575 mm, CU= 3,02.
46
Antes de colocarla en el tanque se procedió a eliminar
los caracoles, plantas acuáticas y otra materia orgánica,
así como los granos de tamaño significativo que pudieran
alterar el proceso de filtración.
En general, el filtro fue sometido a un período de
maduración antes de comenzar el muestreo, y el gasto
fue ajustado teniendo en cuenta una velocidad de filtración
de 0,2 m/h, siendo el mismo de 0,87 L/min.
Se realizaron muestreos de agua a la entrada (agua
cruda) y a la salida (agua tratada) tanto del filtro lento
como de la Planta Potabilizadora de Kilo 5.
Los análisis de laboratorio efectuados a las mismas se
hicieron según las técnicas recomendadas en los métodos
estándares.8 Ellos son: color, turbiedad, pH, coliformes
totales y coliformes fecales.
Los muestreos se efectuaron durante seis meses y a
los resultados de los análisis físico-químicos se les calculó
la media aritmética (X) y el coeficiente de variación (CV),
mientras que a los resultados de los bacteriológicos se
les calculó la media geométrica.
Para el análisis de calidad del agua se tuvieron en
cuenta las Normas Cubanas de Calidad de Agua
referidas.9,10 Además se realizó una evaluación de la
eficiencia del filtro.
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
En la tabla 3 se reflejan representadas algunas
características físico-químicas y bacteriológicas del agua
cruda resultante del muestreo realizado durante el
experimento y características recomendadas por las
normas para agua potable.
Los resultados mostrados en la tabla anterior indican
que el agua cruda utilizada en la investigación como fuente
es un agua de excelente calidad, 9 incluso con valores de
pH, turbiedad y color típicos de un agua potable. Sólo las
concentraciones de coliformes totales y fecales muestran
la necesidad de algún tipo de tratamiento, pudiendo ser
una simple desinfección con cloro. Sin embargo, tomando
en consideración que se trata de un agua superficial,
proveniente de la Presa Guamá, y que hemos realizado la
investigación en un período de seca, donde las
fluctuaciones en la calidad del agua no varían
significativamente, es lógico que tanto los niveles de color
como de turbiedad y otras características del agua difieran
de las representadas anteriormente.
También puede observarse que los coliformes fecales
representan el 26,2 % de los coliformes totales, siendo
este valor significativo como para sugerir un tratamiento
convencional.
Por otra parte, la segura presencia de compuestos de
nitrógeno por la existencia de materia orgánica
biodegradable, y la posibilidad de encontrar en el agua
otros compuestos, como hierro y manganeso en forma
soluble, cuando las condiciones de operación en la obra
de captación así lo favorezca, hacen que el uso de la
filtración sea otro método factible de tener en cuenta para
purificar esta agua.
Eficiencia del filtro lento de arena en la remoción de
contaminantes
Los resultados de los análisis efectuados al agua
cruda y al agua tratada tanto para el filtro lento como
para la planta potabilizadora de Kilo 5 se relacionan en
la tabla 4. En la misma se puede observar como el pH
se mantuvo bastante estable, disminuyendo ligeramente
después de la filtración en el caso del efluente de la
planta potabilizadora. Sin embargo, no ocurrió así para
el filtro lento, el cual se mantuvo con el mismo valor
promedio.
Se debe destacar que aunque no se determinó la
concentración del ion amonio en el agua cruda, es de
esperar la presencia de este, lo cual implica que se
desarrolle la nitrificación y por tanto la disminución del
pH, al aportar iones hidrógeno al agua según la literatura
consultada. 6
Tabla 3
Características fisicoquímicas y bacteriológicas del agua cruda y
concentraciones deseables por las normas de agua potable
Parámetros
Resultados de la
investigación
Norma Cubana
OMS
Color (mg Pt/L)
13,3
15,0
15,0
Turbiedad (UT)
2,4
10,0
5,0
PH
6,9
6,5 - 8,5
6,5 - 8,5
Coliformes totales/100 mL
42
< 2,0 ó 0
0
Coliformes fecales/100 mL
11,0
0
Fuente: Resultados del muestreo y normas.
47
No obstante, el bajo contenido de turbiedad, es decir
de materia en suspensión (que incluye la materia orgánica),
así como la insuficiente limpieza del medio filtrante puede
haber influido en tales resultados, ya que según se observó
al inicio de la corrida se obtuvieron valores de pH en el
efluente superiores a los de la entrada.
En cuanto al color se puede decir que también al inicio
del funcionamiento del filtro se observaron valores en el
efluente superiores a la entrada, así como con una gran
variación, lo que debe haber influido en la poca estabilidad
de este parámetro. La turbiedad fue extremadamente baja
para un agua cruda de origen superficial y de las
características de la utilizada.
En general, durante la primera etapa de muestreo que
duró aproximadamente veinte días, se observaron
variaciones en los diferentes parámetros apreciándose a
partir de este período una mayor estabilidad, así como
también se pudo apreciar la formación de una capa
gelatinosa en la superficie del lecho, lo que demostró que
se estaba en presencia de la maduración del filtro, y a
partir de este momento se incrementó la eficiencia del
proceso de oxidación biológica de la materia orgánica.
En la tabla 5 se representan las eficiencias de remoción,
tanto para el filtro lento como para la planta potabilizadora.
En esta tabla puede observarse como la eficiencia de
remoción de color en el filtro lento fue de un 56,2 %,
superior a la alcanzada en la planta potabilizadora que
fue del 43,6 %. Durante el desarrollo de la investigación
pudo observarse que al comienzo la eficiencia de remoción
del color fue mucho más baja, incrementándose después
del período de maduración.
Debemos significar que en las bajas eficiencias al inicio
de la corrida incidió directamente la insuficiente limpieza
de forma tal que se eliminara toda la materia orgánica,
tanto de origen vegetal como animal, incluyendo el
fitoplancton y el zooplancton existente.
En cuanto a la turbiedad, se considera que el hecho de
contar con valores extremadamente pequeños para un
agua cruda de origen superficial hace que la remoción sea
bastante baja, es decir, sólo un 16,7 % tanto para el filtro
lento como para la planta.
La remoción de coliformes totales y fecales alcanzó
valores de 84,3 % y 59,1 % comparados con los obtenidos
en la planta potabilizadora, siendo también superiores a
los obtenidos en el período de maduración.
Debe significarse que las eficiencias alcanzadas, en la
planta están asociadas no sólo al filtro rápido allí instalado,
sino a la desinfección con cloro que se verifica en la
misma, ya que al inicio del experimento hubo muy bajas
eficiencias en la planta debido a fallas en la desinfección
del agua.
Tabla 4
Resultados de los análisis del agua cruda y agua tratada
Agua cruda
Parámetros
Rango
X
Agua tratada (filtro)
CV
Rango
X
CV
Rango
X
CV
5-20
10
0,66
5-10
7,5
0,37
Color (mg Pt/L)
10-20
Turbiedad (UT)
2-4
2,4
0,30
2-3
2,2
0,20
-
2,0
0,0
6,7-7,0
6,9
0,02
6,5-7,0
6,9
0,03
6,45-6,95
6,7
0,03
21-49
42
-
3-49
13
-
2-33
5
-
4-17
11
-
3-33
8
-
2-13
4
-
pH
Coliformes
totales/100 mL
CF/100 mL
13,3 0,26
Agua tratada (planta)
Tabla 5
Eficiencias de remoción del filtro lento de arena y de la planta potabilizadora
Parámetros
48
Agua cruda
Efluente
del filtro
Eficiencia
(%)
Efluente de
la planta
Eficiencia
Color (mg Pt/L)
13,3
5,8
56,2
7,5
43,6
Turbiedad (UT)
2,4
2,0
16,7
2,0
16,7
CT/100 mL
42
6,6
84,3
5,0
88,1
CF/100 mL
11
4,5
59,1
4,0
63,7
En resumen, se puede decir que además del uso de
este filtro lento, el establecimiento de una desinfección
con cloro a la salida del mismo es una medida importante
para garantizar un agua segura para el consumo humano,
para lo cual pudieran utilizarse los métodos descritos en
la literatura consultada. 6,7,9
Potencialidades de uso del filtro lento de arena
Teniendo en cuenta un gasto Q = 0,87 L/min y una
dotación para área rural de 40 lppd, así como que el filtro
sea operado de forma continua en dos turnos de 8 h cada
uno, por los propios vecinos a los que va a servir, es
posible calcular la cantidad de viviendas y, o habitantes
que se beneficiarían por el uso del mismo.
El número de viviendas servidas por el filtro asciende a
4,2, cada una con 5 habitantes, lo que arroja un total de
21 habitantes servidos por este filtro.
Si se cuenta con un pequeño asentamiento rural de
unas 40 viviendas (200 habitantes), con una batería de
10 filtros es posible garantizar un servicio adecuado de
agua de bebida. Adicionalmente, para que esta agua sea
considerada agua segura desde el punto de vista
microbiológico, sería necesario llevar a cabo la desinfección
a nivel casero mediante el uso de soluciones de cloro que
se distribuirían en el asentamiento o se adaptaría a
continuación de los filtros un tanque de contacto donde
se garantice esta desinfección.
Tanto el uso de los filtros como la desinfección
conllevaría a capacitar un personal seleccionado por la
propia comunidad, así como llevar a cabo un programa de
educación sanitaria a la población vecina. Específicamente
para la operación de los filtros es necesario establecer un
registro de control que recoja, entre otros aspectos, los
siguientes:
• Fecha de limpieza.
• Día y hora del restablecimiento del sistema.
• Pérdidas de carga.
• Calidad del agua cruda y filtrada (turbiedad, color y
NMP de coliformes totales y fecales).
• Incidencias (desarrollo del plancton, problemas con
la capa biológica schmutzdecke, etcétera).
En general, estos filtros pudieran extender su uso no
sólo a estos asentamientos, sino también a campamentos
del Plan Turquino, cooperativas, etcétera.
CONCLUSIONES
1. 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.
2. A pesar de que el agua cruda utilizada en la
investigación como fuente puede considerarse de
excelente calidad, según los resultados debido a su
procedencia y período en que se realizó el muestreo, es
lógico esperar variaciones significativas en su calidad.
3. La insuficiente limpieza y desinfección de la arena
utilizada influyó en la extensión del período de maduración
del filtro y en la eficiencia de remoción obtenida al inicio
del experimento. En este sentido, el tiempo de maduración
de 20 d puede reducirse y las eficiencias en remoción de
color y coliformes aumentar.
4. Los bajos niveles de turbiedad del agua cruda
empleada hacen que sea imposible obtener un efluente
de mayor calidad.
5. La formación progresiva de la capa biológica
schmutzdecke, en la medida que el filtro se maduró, hizo
que la eficiencia de remoción de color, coliformes totales
y fecales se elevaran a 56,2 %, 84,3 % y 59,1 %
respectivamente, siendo estos valores aceptables.
6. La existencia de coliformes totales y fecales y el
porcentaje elevado que representan estos últimos de los
primeros, hacen que sea necesario establecer un sistema
de desinfección con cloro para garantizar un agua segura.
7. Con el filtro lento de arena, con una velocidad de
filtración de 0,2 m/h y un caudal de 0,87 L/min es posible
dar servicio a unas 4 familias del área rural, a razón de
40 lppd.
RECOMENDACIONES
1. Proponer el uso de los filtros lentos de arena para
grupos de viviendas aisladas en zonas rurales,
campamentos del Plan Turquino, 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.
2. Extender el período de prueba de este filtro de forma
tal que se evalúe durante el período de lluvia o con otras
fuentes de peores características, en cuanto a turbiedad,
color y coliformes para conocer la eficiencia de los mismos
con mayor exactitud.
3. Establecer la desinfección con cloro a la salida del
filtro lento para garantizar la producción de un agua segura
para el consumo humano.
REFERENCIAS
1. "AIDIS. La crisis mundial del agua-Conferencia de Río".
Ingeniería Sanitaria, 45(4)/46(1 y 2):15, 1991/1992.
2. OPS. "Ponderación de los riesgos microbiológicos contra
los riesgos de los subproductos de la desinfección
química", Ingeniería Sanitaria, 49(1) :35 y 36, 1995.
3. HUISMAN, L.: Rapid Filtration. Lecture Notes International
Course in Sanitary Engineering, IHE, Delft, 1986.
4. _____: Slow Sand Filtration. Lecture Notes. International
Course in Sanitary Engineering, IHE, Delft, 1986.
5. STEEL, E.W.: Abastecimiento de agua y alcantarillado.
Gustavo Gili, 2da. ed, Barcelona, 1958.
6. PÉREZ, N.S. Y J. DE ARMAS: Tecnologías apropiadas
en agua. Técnicas de tratamiento y desinfección de
agua para consumo humano, Ideal Alambrec SA,
UNAICC/CIGC, Ecuador, 1997:28-34.
7. SCHULZ, CH.R. AND D. A. OKUN: Surface Water
Treatment for Communities in Developing Countries.
Great Britain, 146-151, 1992.
8. Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater, 15 ed. APHA/AWWA/WPCF, 1976.
9. NC 93-11-86. Fuentes de abastecimiento de agua. Calidad
y Protección Sanitaria. Ciudad de La Habana, 1986.
10. NC:93-02:85. Higiene Comunal. Agua Potable.
Requisitos Sanitarios y Muestreos. Ciudad de La
Habana, 1985.
OCTUBRE DEL 2000
49