construcciÓn y anÁlisis de un sistema de filtraciÓn
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CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE FILTRACIÓN GRANULAR A PRESIÓN PARA ABASTECIMIENTO DE AGUA DE CONSUMO HUMANO EN
SITUACIONES DE EMERGENCIA
JUAN MANUEL CADAVID RODRÍGUEZ DAVID EDUARDO ZÚÑIGA AHUMADA
Proyecto de Grado para optar por el título de Ingenieros Ambientales
Asesores: Ing. Diana Carolina Calvo Martínez Ing. Jaime Guillermo Plazas Tuttle
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Bogotá D.C.
2009
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Tabla de contenido
1. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................vii
1.1 OBJETIVOS.............................................................................................................ix
1.1.1 Objetivo General...............................................................................................ix
1.1.2 Objetivos Espec íf icos .......................................................................................ix
2. FILTRACIÓN................................................................................................................. 10
2.1 FILTRACIÓN POR GRAV EDAD .......................................................................... 13
2.1.1 Filtración lenta con arena ............................................................................... 14
2.1.2 Filtración rápida con arena ............................................................................. 18
2.2 FILTRACIÓN POR PRESIÓN Y POR VACÍO ...................................................... 20
2.2.1 Filtros de Precapa........................................................................................... 21
3. METODOLOGÍA ........................................................................................................... 26
3.1 DISEÑO Y MONTAJE ........................................................................................... 28
3.1.1 Pruebas de longitud del lecho f iltrante ........................................................... 28
3.1.2 Diseño y construcción del sistema de f iltración ............................................. 33
3.2 EVALUACIÓN ....................................................................................................... 44
3.2.1 Parámetros de calidad evaluados .................................................................. 44
3.2.2 Descripción de pruebas preliminares ............................................................. 49
3.2.3 Evaluación del sistema de f iltración ............................................................... 50
4. RESULTADOS.............................................................................................................. 50
4.1 RESULTADOS PRUEBAS DE LONGITUD ......................................................... 50
4.1.1 Inf luencia de la longitud del lecho y la presión, en el caudal f iltrado ............. 51
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
4.1.2 Inf luencia de la longitud del lecho en la remoción de partículas
suspendidas .................................................................................................................. 52
4.1.3 Inf luencia de la longitud del lecho en la remoción microorganismos ............ 54
4.2 RESULTADOS DE EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE FILTRACIÓN ................ 56
4.2.1 Remoción de turbiedad .................................................................................. 56
4.2.2 Remoción de microorganismos ...................................................................... 59
4.2.3 Efecto en el pH ............................................................................................... 66
4.2.4 Caudal tratado ................................................................................................ 68
5. CARACTERIZACIÓN DE LA UNIDAD CONSTRUIDA ............................................... 71
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 73
7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 74
8. ANEXOS........................................................................................................................ 77
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Índice de Figuras
Figura 1. Variación de la turbiedad a lo largo del t iempo. .................................................. 11
Figura 2. Variación de las pérdidas de presión a lo largo del tiempo. ............................... 12
Figura 3. Esquema de un f iltro granular para el tratamiento de agua a nivel municipal. ... 14
Figura 4. Arreglo de las partículas del lecho de un f iltro rápido de arena. ......................... 19
Figura 5. Filtro a presión para el tratamiento de agua potable. .......................................... 21
Figura 6. Corte de un f iltro de t ierras diatomáceas usado por el Ejercito de los Estados
Unidos ................................................................................................................................... 22
Figura 7. Vista microscópica de un lecho de tierras diatomáceas. .................................... 23
Figura 8. Etapas de operación de un f iltro de precapa. ...................................................... 24
Figura 9. Esquema de un f iltro de tierras diatomáceas a presión. ...................................... 24
Figura 10. Esquema de un f iltro de tierras diatomáceas a vacío. ...................................... 25
Figura 11. Montaje para la realización de pruebas de longitud de lecho. ........................... 28
Figura 12. Cartucho de f iltración ......................................................................................... 29
Figura 13. Sistema de recolección del efluente .................................................................. 30
Figura 14. Curva granulométrica del material empleado para el lecho. .............................. 31
Figura 15. Procedimiento de lavado del medio f iltrante. ..................................................... 32
Figura 16. Aspecto inicial y f inal del agua utilizada para lavar la arena. ............................ 33
Figura 17. Configuración física de la unidad de f iltración. .................................................. 34
Figura 18. Diseño preliminar de la unidad de f iltración en diámetro de 6 pulgadas. ......... 35
Figura 19. Procedimiento de instalación de los collarines de PVC. ................................... 36
Figura 20. Colocación del tapón liso en la parte inferior del tubo. ...................................... 39
Figura 21. Vista en corte del sistema de recolección del efluente. ..................................... 40
Figura 22. Instalación de la entrada del afluente. ................................................................ 41
Figura 23. Sellado del f iltro en su parte superior. ............................................................... 42
Figura 24. Montaje definit ivo del sistema de f iltración a presión. ....................................... 43
Figura 25. Turbidímetro Hach 2100P. .................................................................................. 45
Figura 26. Modo de funcionamiento del Turbidímetro Hach 2100P. ................................... 45
Figura 27. Medio de cultivo m-ColiBlue24® Broth. .............................................................. 48
Figura 28. Localización del sitio de toma de muestras....................................................... 49
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Figura 29. Influencia de la longitud del lecho y la presión en el caudal f iltrado. ................ 51
Figura 30. Efecto de la longitud del lecho en el caudal f iltrado. .......................................... 52
Figura 31. Tiempo de estabilización del medio f iltrante para longitudes del lecho de 25,
50, 75 y 100 cm. ................................................................................................................... 53
Figura 32. Desempeño de la unidad de f iltración para afluente de 200 NTU. .................... 56
Figura 33. Desempeño de la unidad de f iltración para afluente de 800 NTU. .................... 58
Figura 34. Aspecto de la muestra de agua antes y después de pasada por el f iltro. ......... 59
Figura 35. Eficiencia de remoción de Coliformes Totales y Escherichia Coli. .................... 60
Figura 36. Eficiencia de remoción de Escherichia Coli durante dos ciclos de f iltración. .... 63
Figura 37. Eficiencia de remoción de Coliformes Totales durante dos ciclos de f iltración. 64
Figura 38. Comparación entre la eficiencia de remoción durante los dos ciclos de
tratamiento. ........................................................................................................................... 64
Figura 39. Comportamiento del parámetro de pH durante un ciclo de f iltración. ................ 67
Figura 40. Variación del caudal del efluente para distintas presiones de operación. ......... 69
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Índice de Tablas
Tabla 1. Parámetros de calidad recomendados para f iltración lenta con arena ................ 16
Tabla 2. Características técnicas de un f iltro lento de arena ............................................... 17
Tabla 3. Eficiencia de la f iltración lenta con arena. ............................................................ 17
Tabla 4. Características técnicas de un f iltro rápido de arena ............................................ 19
Tabla 5. Ensayo de granulometr ía del material f iltrante. ..................................................... 30
Tabla 6. Cálculo de pérdidas de presión para distintos diámetros de tuber ía .................... 35
Tabla 7. Comparación de costos para accesorios de 4” y de 6”. ........................................ 38
Tabla 8. Modo de reportar valores de turbiedad de acuerdo con el método estándar
SM 2103B. ............................................................................................................................ 46
Tabla 9. Datos de turbiedad (NTU) obtenidos con los lechos de prueba a 15-17 psi. ...... 54
Tabla 10. Resultados de remoción de coliformes totales y E. coli para un lecho de
prueba de 25 centímetros..................................................................................................... 55
Tabla 11. Resultados de remoción de coliformes totales y E. coli para un lecho de prueba
de 1 m. .................................................................................................................................. 55
Tabla 12. Resultados de pruebas microbiológicas para un lecho con uso previo. ............ 60
Tabla 13. Eficiencias de remoción de microorganismos para un lecho con uso previo. .... 60
Tabla 14. Eficiencias de remoción de microorganismos para un lecho nuevo. .................. 61
Tabla 15. Resultados de pruebas microbiológicas de dos ciclos de f iltración para un lecho
nuevo. ................................................................................................................................... 62
Tabla 16. Eficiencias de remoción de microorganismos durante dos ciclos para un lecho
nuevo. ................................................................................................................................... 62
Tabla 17. Remoción de microorganismos del ciclo 2 con respecto al ciclo 1. .................... 63
Tabla 18. Cálculo del caudal del efluente para un lecho nuevo. ........................................ 68
Tabla 19. Cálculo del caudal del efluente para un lecho con uso previo. ........................... 68
Tabla 20. Población afectada durante ola invernal de septiembre de 2008 en Colombia. 70
Tabla 21. Similitudes del sistema construido con otras técnicas de tratamiento. ............... 72
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Índice de Anexos
Anexo 1. Plano del Sistema de Filtración Granular a Presión ........................................... 77
Anexo 2. Fotografías de pruebas microbiológicas para lecho con uso previo................... 78
Anexo 3. Fotografías de pruebas microbiológicas para lecho nuevo ................................ 80
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
1 INTRODUCCIÓN
La falta de acceso a agua potable es una de las principales problemáticas que afrontan
las naciones alrededor del mundo. De acuerdo con la Organización de las Naciones
Unidas, en 2006 únicamente el 27% de la población rural mundial contaba con un servicio
adecuado de acueducto en sus hogares. La mitad de los habitantes de estas zonas
dependían de otras fuentes mejoradas de agua, tales como gr ifos públicos, bombas
manuales y pozos mejorados. El resto de la población rural utilizaba agua sin tratamiento
previo, obtenida en su mayor ía de fuentes superficiales, como lo son lagos, ríos,
estanques y embalses. Sin embargo, debido a los métodos de tratamiento
implementados, inclusive la utilización de fuentes de agua mejoradas no garantizaba que
la misma estuviera apta para su consumo (ONU, 2009).
En el caso de América Latina y el Caribe, la situación de abastecimiento no es menos
alarmante. En esta región, sólo un 73% de la población rural tiene acceso a fuentes de
agua mejoradas, frente a un 97% de los habitantes de los núcleos urbanos. Las anteriores
cifras ubican a esta zona como la segunda en el mundo con menos acceso al recurso
hídrico en sus zonas rurales, después de la región de África subsahariana (ONU, 2009).
Dentro de los Objetivos de Desarrollo del Milenio aprobados por 189 países en la Cumbre
del Milenio de septiembre de 2000, se f ijó la meta de reducir a la mitad, para el año 2015,
el porcentaje de personas sin acceso sostenible a agua potable y a servicios básicos de
saneamiento. Para el caso colombiano, el cumplimiento de este objetivo implica alcanzar
un porcentaje de cobertura de acueducto de 81,6% en las zonas rurales, y de 99,4% en
centros urbanos para el 2015. Sin embargo, si se tiene en cuenta la precaria situación de
abastecimiento de agua potable en algunos departamentos como Chocó y Córdoba, que
para el 2003 tenían una cobertura de acueducto de tan solo 25,3% y 33,4% respectivamente (PNUD, 2008), es claro que deben implementarse medidas radicales
orientadas a disminuir la cantidad de personas carentes de este bien. Este hecho se
acentúa aún más si se observa que gran parte de estas zonas de baja accesibilidad al
recurso hídrico se encuentran ubicadas en regiones altamente propensas a inundaciones,
movimientos masivos de tierras y otros desastres naturales.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
A raíz de este hecho, se han realizado proyectos investigativos con el objetivo de
desarrollar tecnologías sostenibles y de fácil operación para el tratamiento de agua para
consumo humano. Diversos sistemas de tratamiento desarrollados en el mundo, tales
como el FILTRON, el CARPOM y el AQUA POT, han demostrado su eficiencia en el
tratamiento de agua potable. Sin embargo, debido a diversos factores como bajas tasas
de f iltración, deficientes remociones de microorganismos o dif icultad en la consecución de
algunos mater iales, no es factible implementar dichas tecnologías en todos los posibles
escenarios.
Los tiempos de respuesta en situaciones de emergencia para países como Colombia,
pueden oscilar entre aproximadamente 7 y 15 días dependiendo de la gravedad y el sitio
de ocurrencia del desastre (Arnal Arnal et. al., 2001). Típicamente, la atención por parte
de los organismos encargados se lleva a cabo mediante la ejecución de distintas
acciones; reparación de averías en el sistema de distribución de agua potable,
reubicación de las familias afectadas, traída y puesta en marcha de plantas de tratamiento
de agua potable portátiles, entre otras. Sin embargo, todas éstas implican la presencia de
personal capacitado en el sit io de la emergencia.
En este contexto, este proyecto pretende realizar un diseño de un sistema de tratamiento
de agua para consumo humano de bajo costo, fácil transporte, y que no requiera de
personal calif icado para su instalación y operación, que, en situaciones de emergencia,
logre suplir las necesidades de la población damnif icada de manera temporal, desde el
momento de ocurrencia de la tragedia, hasta que las autoridades encargadas y el Estado
brinden la atención requerida. De manera posterior al diseño y construcción del prototipo,
se pretende llevar a cabo una etapa de evaluación de la operación del mismo, con el f in
de determinar su desempeño en términos operativos, y de cantidad y calidad del efluente
producido.
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1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo General
Construir y evaluar un sistema de tratamiento de agua basado en el principio de f iltración
granular para el abastecimiento de agua potable en situaciones de emergencia.
1.1.2 Objetivos Espec íf icos
• Construir un sistema de tratamiento de agua con base en las debidas
consideraciones de diseño, como una alternativa novedosa para el tratamiento de
agua potable en el contexto de una emergencia.
• Caracterizar el sistema de tratamiento diseñado, con base en el estado del arte de
los sistemas de f iltración disponibles para tratamiento de agua.
• Evaluar el sistema en términos de la cantidad y la calidad del agua tratada, con
base en las tecnologías disponibles para el mismo fin y los parámetros
establecidos en la legislación vigente.
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2 FILTRACIÓN
La f iltración es el proceso mediante el cual se hace pasar agua a través de un medio
poroso para remover las partículas suspendidas. Los pr imeros registros que hablan sobre
el tratamiento de agua para consumo, datan de 4.000 a.c., en donde se menciona la
f iltración de agua utilizando carbón vegetal o arena y grava (AWWA, 2005). La f iltración
con medios granulares fue un procedimiento ampliamente utilizado en las culturas hindú,
egipcia y romana. A pesar de haber sufrido algunas modif icaciones, ésta se mantiene en
la actualidad como una de las tecnologías fundamentales en el tratamiento de agua
potable en todo el mundo.
El componente más importante de un f iltro granular es el medio f iltrante. La escogencia
del medio depende del tamaño de sus partículas. Partículas de tamaños pequeños
tienden a producir mayores pérdidas de cabeza hidráulica, mientras que medios con
tamaños de partículas mayores producen menores pérdidas de cabeza, aunque no son
tan efectivos en el proceso de f iltración (Sincero et al., 2003). En los Estados Unidos, la
f iltración es un proceso empleado en la mayoría de las Plantas de Tratamiento de Agua
Potable (PTA P), que se abastecen de aguas superficiales. La mayoría de las aguas
superficiales contienen algas, sedimentos, arcilla y otras partículas tanto orgánicas como
inorgánicas; y la f iltración es empleada para remover la mayor parte de dichas partículas,
reduciendo la turbidez del agua. Adicionalmente, todas las aguas superficiales contienen
microorganismos patógenos causantes de enfermedades de origen hídrico, los cuales
requieren ser removidos mediante la acción conjunta de la f iltración y la desinfección con
productos químicos.
Debido a que el tamaño de todas las partículas que componen un medio f iltrante no es el
mismo, éste es comúnmente expresado en términos del tamaño efectivo y el coeficiente de uniformidad. El tamaño efectivo (TE) se define como el tamaño de partículas, en
milímetros, tal que un 10% del medio f iltrante (en peso), es más pequeño que dicho
tamaño. Es decir, es el tamaño del tamiz que permite el paso del 10% del medio f iltrante.
De manera similar, el coeficiente de uniformidad (CU) se define como la relación del
tamaño de granos que tiene un 60% más f ino que el mismo, al tamaño que tiene un 10%
más f ino que el mismo (Romero, 2006). En otras palabras:
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Para f iltros lentos de arena, el tamaño efectivo oscila entre 0.25 mm y 0.35 mm, con
coeficiente de uniformidad entre 2 y 3. Por otro lado, los f iltros rápidos de arena poseen
tamaños efectivos de 0.45 mm o mayores, y coeficientes de uniformidad de menos de 1.5.
El comportamiento de la turbiedad durante la corrida de un f iltro granular, es un
importante indicativo sobre la eficiencia de operación del mismo, el cual se puede
expresar gráficamente, tal y como se muestra en la Figura 1. Allí se pueden distinguir
claramente tres etapas; maduración, f iltración efectiva y etapa f inal. Durante la primera de
estas etapas, se puede apreciar que la turbiedad en el efluente crece hasta alcanzar un
punto máximo, a partir del cual disminuye hasta llegar a un valor constante. Este periodo,
conocido como tiempo o etapa de maduración, tiene una corta duración para los f iltros
rápidos, siendo ésta su principal ventaja operativa. Durante este t iempo, se lleva a cabo el
acomodamiento de los granos del medio f iltrante hasta lograr un arreglo adecuado para
capturar la mayor cantidad posible de partículas suspendidas. Luego de transcurrido el
tiempo de maduración, pueden obtenerse parámetros de turbiedad de hasta 0.1 NTU
(MWH, 2005).
Figura 1. Variación de la turbiedad a lo largo del tiempo.
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La etapa de f iltración efectiva es el periodo de mejor funcionamiento de un f iltro granular,
en donde la turbiedad del efluente, as í como la remoción de microorganismos patógenos,
permanecen casi constantes y en valores aceptables. Durante este periodo, los espacios
vacíos del lecho granular son llenados parcialmente con las partículas presentes en el
afluente, lo cual contribuye a mejorar la retención de las demás. Sin embargo, este
fenómeno es el responsable del incremento progresivo de las pérdidas de presión que
experimenta el agua a su paso por el lecho. Así mismo, se inicia una fase en donde el
lecho granular no está en capacidad de retener más partículas, y por tanto comienza a
liberarlas en el efluente, con un consecuente aumento en la turbiedad. De esta forma, la
limpieza de un f iltro se lleva a cabo bien sea cuando se alcance una turbiedad f ija máxima
en el efluente, o cuando las pérdidas de presión superen la cabeza hidráulica disponible
(ver Figura 2).
Figura 2. Variación de las pérdidas de presión a lo largo del tiempo.
Aunque la desinfección del agua es la principal defensa contra las enfermedades de
origen hídrico, la f iltración contribuye ampliamente con la reducción del número de
microorganismos, incrementando la eficiencia del proceso de desinfección. Esto se debe
a la tendencia de algunos microorganismos a adherirse a la superficie de las partículas
suspendidas, que luego son retenidas a su paso por el medio f iltrante.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
De acuerdo con su modo de operación, los f iltros pueden ser clasif icados en dos tipos;
f iltros de gravedad y f iltros de presión y de vacío. La principal diferencia entre estas dos
categorías, es que los f iltros de gravedad se basan en esta fuerza para conducir el agua a
través del medio f iltrante. En contraste, los f iltros de presión y de vacío funcionan
mediante la aplicación de medios mecánicos que generan la diferencia de presión
necesaria para forzar el agua a través del lecho.
2.1 FILTRACIÓN POR GRAVEDAD
Como su nombre lo indica, este t ipo de f iltros opera gracias a la acción de la fuerza de
gravedad sobre el agua que atraviesa el lecho. Se caracterizan por tener grandes áreas
superficiales y estar abiertos a la atmósfera en su parte superior. Los f iltros de gravedad
son comunes en gran parte de las Plantas de Tratamiento de Agua Potable alrededor del
mundo; sin embargo, éstos son igualmente ampliamente empleados en el tratamiento de agua a nivel doméstico, principalmente en naciones en v ía de desarrollo. En la Figura 3 se
muestra un esquema de un típico f iltro de gravedad de lecho mixto, empleado para el
tratamiento de agua a nivel municipal.
Para la década de 1980, en vista de la baja calidad de los procesos empleados por
muchas comunidades en los Estados Unidos para el tratamiento del agua de consumo, la
Agencia de Protección Ambiental de dicho país (EPA), condujo una serie de programas
de investigación orientados a desarrollar técnicas sencillas y de alta eficiencia operativa.
A raíz de dichos estudios, en 1989 fue redactada la Norma de Tratamiento de Aguas
Superficiales (SWTR) de los Estados Unidos, en la cual se reconocieron tres técnicas de
f iltración granular, debido a su alta eficiencia en el tratamiento de agua para consumo
humano; f iltración lenta de arena, f iltración rápida de arena y f iltración por precapa. A
continuación se explicaran las primeras dos técnicas mencionadas anteriormente. La
f iltración por precapa, al no desarrollarse comúnmente por gravedad, será explicada
posteriormente en el capítulo de f iltros de presión y de vacío.
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Figura 3. Esquema de un filtro granular para el tratamiento de agua a nivel municipal.
2.1.1 Filtración lenta con arena
La f iltración lenta de arena fue el primer t ipo de f iltración granular usado en el tratamiento
de aguas a nivel municipal. Las primeras instalaciones de este tipo fueron construidas en
Escocia y en Inglaterra durante principios del siglo XIX. Por su parte, la primera planta en
Estados Unidos, con sistemas de f iltración lenta de arena de la cual se t iene
conocimiento, fue desarrollada en Poughkeepsie, Nueva York, en 1872.
El subsecuente desarrollo de f iltros rápidos de arena, redujo el interés en la construcción
de más f iltros lentos a partir de comienzos del siglo XX. Sin embargo, en 1980, la
popularidad de los f iltros lentos de arena aumentó nuevamente, cuando los estudios
adelantados por la EPA confirmaron que la f iltración lenta con arena podía producir
efluentes de baja turbiedad y alta remoción de microorganismos, si era aplicada con las
tasas de f iltración recomendadas y seleccionando el medio f iltrante adecuado (AWWA,
2005). En la actualidad, la f iltración lenta de arena es ampliamente utilizada en PTAPs
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
alrededor del mundo, tratando el agua para los sistemas de distribución de poblaciones
tan grandes como Londres y Amsterdam (MWH, 2005).
La f iltración lenta de arena se lleva a cabo al pasar agua a una velocidad relativamente
baja a través de un medio de arena f ina. La tasa de f iltración en este proceso es
aproximadamente cien veces menor que la de un típico f iltro rápido. Debido a ésto, la
pérdida de cabeza en un f iltro lento ocurre en un periodo de tiempo considerablemente
mayor. Una corrida promedio de este tipo de f iltros puede durar normalmente entre 45 y
60 días; sin embargo, se han reportado casos en que dicha duración supera los 12 meses
(AWWA, 2005).
El mecanismo de funcionamiento de un f iltro lento de arena se basa, primero que todo, en
la actividad biológica, la cual en su mayoría ocurre en la superficie del lecho de arena.
Esto se debe a que allí se desarrolla una capa conocida como schmutzdecke, formada a
partir de la acumulación de partículas orgánicas e inorgánicas, en donde se estimula el
crecimiento biológico. Igualmente, se ha encontrado que parte de esta actividad biológica
se extiende también a lo largo del medio f iltrante, en donde la remoción de partículas y
microorganismos se realiza a través de procesos de bioadsorción en los granos de arena
(AWWA, 2005).
La remoción de partículas en un f iltro lento se lleva a cabo mediante distintos
mecanismos. Cuando las partículas son de mayor tamaño que los espacios vacíos del
lecho, éstas son removidas mediante un fenómeno conocido como cribado (straining), el
cual es el mecanismo predominante en los f iltros de precapa. La remoción por cribado
conlleva a la formación de una capa en la parte superior del lecho, la cual mejora la
remoción de partículas suspendidas, pero también incrementa drásticamente la pérdida
de presión a través del medio f iltrante. En el caso en que las partículas sean de menor
tamaño que los vacíos del lecho, la adsorción es el mecanismo de remoción dominante, el cual ocurre mediante intercepción, difusión, fuerzas gravitacionales y fuerzas inerciales,
como las fuerzas de van der Waals (MWH, 2005).
De igual forma que con los f iltros rápidos de arena, los f iltros lentos operan mediante un
ciclo de dos etapas; f iltración y regeneración. En un f iltro lento, la etapa útil del mismo
termina cuando las pérdidas de presión alcanzan la cabeza hidráulica disponible para el
proceso. Sin embargo, la regeneración de los f iltros lentos de arena no se lleva a cabo
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mediante retrolavado; ésta se realiza drenando el f iltro y posteriormente removiendo y
almacenando los dos centímetros superiores del lecho, en un proceso conocido como
scraping. Cuando el lecho alcance una altura mínima de 0,4 a 0,5 metros, es necesario
adicionar más material hasta alcanzar la altura original; este procedimiento se conoce
como resanding (MWH, 2005); para tal f in, se utiliza el mismo material previamente
removido y almacenado. La principal ventaja operativa de los f iltros lentos de arena es
que este ciclo de limpieza puede ser realizado durante varios años antes de tener que
reemplazar por completo la arena del lecho. Igualmente, no requiere de personal
calif icado para su operación, ya que no es necesario suministrar agentes coagulantes
previamente. No obstante, una vez se sustituya la totalidad del medio f iltrante, es
necesario esperar durante varios días mientras se completa el t iempo de maduración del
f iltro.
Con el f in de determinar si un sistema de f iltración lenta con arena es adecuado o no para
el tratamiento de determinada fuente de agua, es necesario evaluar cuidadosamente los
parámetros de calidad del afluente. En la siguiente tabla se muestran los límites
recomendados para cada parámetro con el f in de poder aplicar esta técnica de
tratamiento.
Tabla 1. Parámetros de calidad recomendados para filtración lenta con arena
Parámetro Límite Recomendado Turbiedad 5 a 10 NTU Algas 200.000 / L Color Verdadero 15 a 25 UPC Trihalometanos 50 µg/L Absorbancia UV 0.080 cm^ -1 Oxígeno Disuelto > 6 mg/L Fósforo 30 µg/L Amoniaco 3 mg/L Hierro < 1 mg/L Manganeso < 1 mg/L
Fuente: AWWA, 2005
A pesar de que las profundidades del lecho de arena en este tipo de f iltros oscilan entre
0.9 y 1.5 metros, la mayoría de los f iltros lentos de arena diseñados para comunidades en
los Estados Unidos tienen una profundidad típica de 30 pulgadas (0.76 metros) (AWWA,
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2005). En la siguiente tabla se presentan las principales características técnicas de los
f iltros lentos de arena.
Tabla 2. Características técnicas de un filtro lento de arena
Características Filtración Lenta de Arena Tasa de filtración 0.05 - 0.2 m/h Diámetro de partícula 0.3 - 0.45 mm Profundidad del lecho 0.9 - 1.5 m Cabeza de presión requerida 0.9 - 1.5 m Duración de la corrida 1 - 6 meses T iempo de maduración Varios días Pretratamiento No requiere Mecanismo de filtración Cribado, Torta biológica Método de regeneración Raspado Turbiedad máxima del afluente 10 - 50 NTU
Fuente: MWH, 2005
Con base en diversos estudios, se ha encontrado que los f iltros lentos de arena son
eficientes en la remoción de Giardia y virus. Igualmente, las turbiedades obtenidas
presentan valores satisfactorios, oscilando entre 0.1 y 0.2 NTU para fuentes de
relativamente buena calidad. En la siguiente tabla se muestran los parámetros típicos de calidad obtenidos mediante la f iltración lenta con arena:
Tabla 3. Eficiencia de la filtración lenta con arena.
Parámetro de Calidad Eficiencia del Tratamiento o Capacidad de
Remoción Turbiedad < 1.0 NTU Coliformes 1 a 3 unidades logarítmicas Enterovirus 2 a 4 unidades logarítmicas Giardia 2 a 4 unidades logarítmicas Carbón Orgánico Total < 15% a 25% Carbón Orgánico Disuelto Biodegradable < 50% Precursores de Trihalometanos <25%
Fuente: AWWA, 2005
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2.1.2 Filtración rápida con arena
A pesar de que la arena es el medio granular más utilizado en los f iltros rápidos, existen
otros materiales empleados para tal propósito; tal es el caso de la antracita, la grava y el
carbón activado granular (GAC). Es común el empleo de lechos compuestos por dos o
más materiales; cuando el f iltro se compone de dos medios se denomina “Filtro de Medio
Dual”, mientras que cuando t iene tres o más se le conoce como “Filtro de Medio Mixto”.
Debido a esto, diversos autores prefieren designar a este tipo de f iltros, como High-Rate
Granular Media Filters (AWWA, 2005).
A diferencia de los f iltros lentos de arena, este tipo de f iltros requiere un adecuado
proceso de pretratamiento con el f in de lograr un buen desempeño del mismo. Para tal f in,
se agregan coagulantes químicos al afluente antes de conducir el agua a través del lecho;
este proceso se conoce como filtración directa y es ampliamente utilizado en grandes
sistemas de tratamiento de agua, como lo es la Planta de Tratamiento Francisco Wiesner
de Bogotá. Como agentes químicos se emplean frecuentemente sales de hierro o
aluminio, los cuales al agregarse al agua cruda, favorecen la unión de partículas
suspendidas, formando aglomerados conocidos como flocs. Contrario a lo realizado
durante los tratamientos convencionales, en la f iltración directa no existe una etapa de
sedimentación posterior a la dosif icación del coagulante. En este caso, el agua es
conducida directamente hacia el medio f iltrante, en donde las partículas ya
desestabilizadas se adhieren a los granos del lecho.
El medio granular de un f iltro rápido es más uniforme que el de un f iltro lento; ésto con el
objetivo de reducir las pérdidas de presión a través del lecho y poder operar con una
carga hidráulica mayor. Por este motivo, los espacios vacíos generados entre los granos
del medio son considerablemente mayores a los que se forman en lechos menos
uniformes; sin embargo, debido al arreglo del lecho granular, es posible retener partículas de diámetros bastante inferiores (ver Figura 4). En consecuencia, el cribado no es el
mecanismo de remoción predominante en un f iltro rápido. En este tipo de f iltro, las
partículas son removidas a su paso por la totalidad del lecho, en un proceso conocido
como filtración profunda, “depth filtration”.
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Figura 4. Arreglo de las partículas del lecho de un filtro rápido de arena.
Contrario a los f iltros lentos de arena, los f iltros rápidos tienen tiempos de duración de
corrida considerablemente inferiores, los cuales oscilan típicamente entre 1 y 4 días, dependiendo de la calidad del afluente. El desempeño de un f iltro rápido, usualmente es
atribuido a la duración de la corrida del mismo. Sin embargo, duraciones de corrida muy
largas pueden no ser adecuadas para la operación del mismo, debido a que en este caso
el proceso de limpieza del lecho, mediante retrolavado, se vuelve mucho más complicado
como resultado de la acumulación y compactación de partículas en el medio f iltrante.
Adicionalmente, duraciones de corrida largas son un indicativo de que el f iltro no está
operando eficientemente (AWWA, 2005). A continuación se presentan algunas
características técnicas de los f iltros rápidos.
Tabla 4. Características técnicas de un filtro rápido de arena
Características Filtración Rápida de Arena Tasa de filtración 5 - 15 m/h Diámetro de partícula 0.5 - 1.2 mm Profundidad del lecho 0.6 - 1.8 m Cabeza de presión requerida 1.8 - 3 m Duración de la corrida 1 - 4 días T iempo de maduración 15 min - 2 horas Pretratamiento Coagulación Mecanismo de filtración Filtración profunda Método de regeneración Retrolavado Turbiedad máxima del afluente Ilimitada, con pretratamiento adecuado
Fuente: AWWA, 2005
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Con el f in de conocer el desempeño del f iltro a lo largo del t iempo, se emplean
frecuentemente turbidímetros en línea, los cuales permiten monitorear los valores de
turbiedad en el efluente, en intervalos máximos de 15 minutos. Gracias a esta medida es
posible establecer el momento de realizar la limpieza del lecho. Adicionalmente, la pérdida
de cabeza a través del lecho f iltrante de un f iltro rápido, es un valioso indicativo del estado
del medio y es usado comúnmente para establecer la frecuencia del proceso de
retrolavado. En Plantas de Tratamiento de Agua Potable, la pérdida de cabeza es
típicamente monitoreada por medio de celdas de presión diferencial, que registran la
presión del agua a la entrada y a la salida del f iltro. Malas prácticas de limpieza del lecho
pueden conducir a numerosos inconvenientes operativos, entre los cuales el más común
es la aparición de bolas de barro (mudballs) que causan obstrucción. A medida que las
pérdidas de presión se incrementan, dichas zonas obstruidas se encogen generando la
aparición de grietas en la superficie del medio f iltrante. Estas grietas se convierten en
“atajos” para el agua cruda, la cual comienza a tomar el camino de menor resistencia. De
esta forma, el proceso de f iltración no se realiza correctamente, conllevando a una
disminución en los parámetros de calidad del efluente (AWWA, 2005).
2.2 FILTRACIÓN POR PRESIÓN Y POR VACÍO
Los f iltros a presión son utilizados comúnmente para la f iltración de agua en las piscinas.
Sin embargo, debido a su versatilidad y a los bajos costos de su instalación y operación,
han ganado popular idad entre los sistemas de tratamiento de agua potable para
pequeñas comunidades.
El principio de funcionamiento de los f iltros a presión es similar al de los f iltros de
gravedad, con la diferencia de que la f iltración a presión ocurre generalmente en tanques
cilíndricos, en la mayor ía de casos metálicos (ver Figura 5). Éstos pueden ser localizados
tanto vertical como horizontalmente. Debido a las altas tasas de f iltración con las que
operan este tipo de f iltros, la colmatación del lecho ocurre con relativa rapidez en
comparación con los sistemas a gravedad. Como resultado de ésto, el retrolavado es un
componente fundamental para la buena operación de un f iltro a presión. En consecuencia,
muchos de estos sistemas cuentan con procesos de retrolavado automáticos, que facilitan
las labores de limpieza del lecho. Una importante ventaja que ofrecen los f iltros a presión,
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es que la misma bomba que se utiliza para extraer el agua cruda desde la fuente, se
emplea para conducirla a través del medio f iltrante (Salvato et al., 2003).
Figura 5. Filtro a presión para el tratamiento de agua potable.
Fuente: (http://www.laynewater.com/images/wtd_layneox1.jpg)
Por otro lado, este sistema de f iltración presenta algunas desventajas a nivel operativo. La principal, es que el operario no puede observar el lecho durante la operación o el
retrolavado del mismo, lo cual impide conocer de una forma confiable la altura de la
arena, antracita o cualquier otro lecho empleado. Ésto dif iculta la determinación del
momento en el cual el lecho requiere ser limpiado o reemplazado.
El tipo de f iltro, accionado por presión o por vacío, más frecuentemente implementado
para el tratamiento de agua potable, es conocido como Filtro de Precapa. Debido al
reducido tamaño de las partículas utilizadas comúnmente en este sistema de f iltración, el
funcionamiento de estas unidades únicamente por medio de la fuerza de gravedad no es
técnicamente viable. Por este motivo, los f iltros de precapa típicamente son operados
mediante sistemas de bombeo mecanizados, que suministran la cabeza hidráulica
suficiente para el desarrollo del proceso.
2.2.1 Filtros de Precapa
Los f iltros de precapa son una tecnología relativamente nueva en comparación con los
f iltros rápidos y lentos de arena. Su uso se ha incrementado ampliamente desde la
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Segunda Guerra Mundial, cuando fue adoptada como un método estándar de tratamiento
de aguas por parte del ejército de los Estados Unidos (ver Figura 6). Este sistema de
f iltración ha ganado acogida en el tratamiento de agua para consumo humano, debido a
su portabilidad y alta eficiencia en la remoción de quistes de Entamoeba histolytica,
causante de la amebiasis. Adicionalmente, estos f iltros han demostrado ser eficientes en
la eliminación de Cryptosporidium y Giardia, alcanzando remociones de aproximadamente
6 unidades logarítmicas (AWWA, 2005).
Figura 6. Corte de un filtro de tierras diatomáceas usado por el Ejercito de los Estados Unidos
Fuente: (Fulton, 2000)
El medio f iltrante más empleado en los f iltros de precapa son las tierras diatomáceas, las
cuales se obtienen a partir del procesamiento de los restos fosilizados de plantas
microscópicas conocidas como diatomeas, frecuentemente encontrados en el fondo de lo
que solían ser antiguos océanos (ver Figura 7). A partir del material hallado en estos
depósitos, compuesto en su mayoría de s ílice, se elabora un medio pulverizado con un
tamaño promedio de partícula de 22.3 µm, con el 80% del tamaño de sus partículas
variando entre 5 y 64µm. (AWWA, 2005).
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Figura 7. Vista microscópica de un lecho de tierras diatomáceas.
Fuente: (University of Leeds, 2002)
La operación de un f iltro de precapa se divide en tres etapas fundamentales, tal y como se
muestra en la Figura 8 (AWWA, 2005). Estas son:
‐ Una precapa (precoat) de alrededor de 3 milímetros es depositada en el f iltro.
‐ Luego de haber depositado la precapa, se inicia el proceso de f iltración, y al mismo tiempo, una pequeña cantidad de tierras diatomáceas, conocida como
cuerpo del f iltro, es adicionada al afluente con el f in de mantener la porosidad del
medio. Este procedimiento reduce las pérdidas de presión en el f iltro, y permite
duraciones de corrida más prolongadas.
‐ Las partículas presentes en el afluente son atrapadas en la precapa, hasta que se alcanza la máxima pérdida de cabeza. En este momento, se ha completado la
corrida del f iltro, y es necesario limpiar el medio f iltrante.
Existen dos tipos principales de f iltros de precapa; los de presión y los de vacío. La
diferencia principal entre estas dos categor ías, es la configuración del sistema de
bombeo. En los f iltros a presión, el f lujo de agua cruda es bombeado desde la entrada del
f iltro, el cual está contenido dentro de un recipiente cerrado. Por su parte, en los f iltros de
vacio se genera succión directamente desde la salida del f iltro. Este último se caracteriza
por estar abierto a la atmósfera. Sin embargo, a pesar de sus diferencias operativas, se
ha encontrado que ambos esquemas operativos ofrecen eficiencias de remoción
similares.
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Figura 8. Etapas de operación de un fi ltro de precapa.
Fuente: ( AWWA, 2005)
Filtros de Tierras Diatomáceas a Presión
La operación de un f iltro de tierras diatomáceas a presión, tiene ciertas ventajas con
respecto a su operación a vacío. En términos de cabeza hidráulica disponible, el sistema
operando a presión está en capacidad de suministrar una mayor cabeza para la
realización del proceso de f iltración (ver Figura 9). Como consecuencia de este hecho, las
unidades f iltrantes pueden ser de menor tamaño, lo cual se representa en ahorros
signif icativos de espacio.
Figura 9. Esquema de un filtro de tierras diatomáceas a presión.
Fuente: (Fulton, 2000)
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Teóricamente, se ha encontrado que la eficiencia operativa de un f iltro de t ierras
diatomáceas a presión es independiente de la magnitud de la presión aplicada; es decir,
se obtendrían similares parámetros de calidad para presiones, de por ejemplo, 25 psi o 50
psi a la entrada del f iltro (Fulton, 2000). Sin embargo, una operación del f iltro a mayor
presión, representaría una mayor inversión económica en la construcción de la unidad
f iltrante.
En contraste con los f iltros accionados por vacío, los f iltros de presión tienen las
siguientes desventajas técnicas: altos requerimientos de capital para la construcción de la
unidad, elevados costos de mantenimiento de los sellos hidráulicos y piezas mecánicas
móviles y dif icultad para observar el medio f iltrante.
Filtros de Tierras Diatomáceas a Vacío
Al estar abiertos a la atmósfera, los f iltros de tierras diatomáceas accionados por vacío
tienen la ventaja de permitir la observación de los ciclos operativos de la unidad; f iltración
y retrolavado. Sin embargo, la reducida presión de succión ejercida por el sistema de
bombeo, es la pr incipal limitante de este proceso (ver Figura 10). En consecuencia, los
f iltros a vacío sólo están en capacidad de producir una fracción del caudal entregado por
una unidad operando a presión.
Figura 10. Esquema de un fi ltro de tierras diatomáceas a vacío.
Fuente: (Fulton, 2000)
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Otro aspecto desfavorable de estos f iltros, que se presenta principalmente en regiones
con marcados cambios de temperatura, es la dilución de aire u otros gases en el agua,
como resultado de la succión ejercida hacia la atmósfera. Las f luctuaciones en la
temperatura del agua y del aire, ocasionan modif icaciones en la solubilidad de los gases
en el agua. Al decrecer la temperatura del agua, la solubilidad también disminuye. En este
escenario, los gases previamente disueltos en el agua son expulsados en forma de
burbujas a través del lecho f iltrante, ocasionando la aparición de grietas en el medio, y por
consiguiente desmejorando los parámetros de calidad del efluente. Por este motivo,
generalmente se recomienda que en lugares con fuertes inviernos se opte por la
construcción de un sistema a presión en lugar de uno a vac ío. (Fulton, 2000).
3 METODOLOGÍA
Mediante una revisión bibliográfica, se logró establecer el estado del arte de los sistemas
de potabilización en el punto de consumo (POU, por sus siglas en inglés, point of use),
implementados por gran cantidad de ONG, universidades y organismos de carácter
estatal e internacional. A partir de esta información, se conocieron las tecnologías
actuales disponibles, que fueron utilizadas como línea base.
Como consecuencia de esta revisión, se tomó la decisión de diseñar un sistema de
tratamiento de agua potable basado en el proceso de f iltración granular. Las razones de la
elección de este sistema de tratamiento se basan en los aspectos económico, operativo y
de sostenibilidad en el contexto de atención inmediata a emergencias, con respecto a las
otras tecnologías de potabilización disponibles, como el uso de f iltros cerámicos y de
membranas.
Con base en las ventajas y desventajas de un tratamiento por f iltración granular como
sistema POU, se plantearon diversas posibilidades de diseño, con el objetivo de tomar acciones sobre sus aspectos desfavorables. Los f iltros lentos de arena utilizados por
organizaciones como la OPS/OMS, e Ingenieros Sin Fronteras – Colombia
(Uniandes/Uniminuto) (ISF-Colombia) para atender poblaciones aisladas, fueron tomados
como referencia (OPS, 2008; Cadavid et al., 2008). Aunque son sistemas efectivos,
económicos ($180.000 COP/filtro) y de fácil apropiación por parte de la comunidad debido
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a su fácil instalación y operación, su mecanismo principal de remoción es una torta
biológica, cuyo tiempo de maduración es de 3-4 semanas hasta empezar a obtener
resultados óptimos desde el punto de vista de calidad, lo cual hace imposible su
implementación en el contexto del problema.
En consecuencia, el objetivo del proyecto es diseñar un f iltro de arena cuyo mecanismo
de remoción sea el cribado, es decir, que las partículas sean removidas a causa de la
tortuosidad y el tamaño de poro del lecho. De esta forma, no se requiere maduración
alguna y podr ía ser puesto en marcha inmediatamente después de su instalación en el
lugar de la emergencia. Para ello, es necesario utilizar un lecho de partículas de arena
más f ino que el utilizado en los f iltros lentos de OPS/OMS e ISF, entre otros. No obstante,
la introducción de un lecho con menor tamaño de partícula, aumenta las pérdidas de
presión a lo largo del lecho, disminuyendo el caudal producido por el f iltro, lo cual es
contrario al propósito del estudio.
Por esta razón, la alternativa seleccionada para realizar el montaje piloto y evaluación
técnica fue la de un f iltro de arena a presión, donde el agua pase a través de un lecho de
arena f ina mediante bombeo manual o mecánico (bomba eléctrica, de gasolina o manual,
según el contexto de la emergencia), similar al sistema implementado por el Politécnico
Universidad de Valencia en poblaciones en Ecuador, con la diferencia de que en tal caso
se utilizan membranas de ultrafiltración (UF), logrando remociones de turbiedad y
microorganismos (Coliformes totales, Giardia lamblia, virus y Legionella) superiores al
90% (Arnal Arnal et al., 2001). Sin embargo, las membranas no constituyen una
alternativa del todo viable desde el punto de vista económico en el contexto colombiano,
por lo cual se determinará la eficiencia de una tecnología sostenible y de fácil
implementación en el contexto de los países en desarrollo.
Como parte del proceso de diseño, se hizo necesario determinar la inf luencia de la longitud del lecho sobre la remoción de material suspendido y microorganismos, as í como
el efecto de la longitud sobre el caudal tratado, con el objetivo de seleccionar la longitud
de lecho más apropiada desde el punto de vista económico y técnico.
Para ello, se realizó un montaje de prueba para llegar a conclusiones basadas en
experimentación acerca de la longitud más apropiada para el lecho f iltrante.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
3.1 DISEÑO Y MONTAJE
3.1.1 Pruebas de longitud del lecho f iltrante
Con el objetivo de determinar la incidencia de la longitud del lecho de arena en la
remoción de microorganismos y de partículas suspendidas, se llevaron a cabo pruebas
preliminares orientadas a la determinación de esta relación. Para este f in, se realizó el
montaje experimental presentado en la Figura 11.
Figura 11. Montaje para la realización de pruebas de longitud de lecho.
El sistema consta de una electrobomba centrífuga Wolfgang de medio caballo de
potencia, la cual es empleada para el bombeo del agua cruda, desde un recipiente
cilíndrico de cuarenta litros de capacidad, por medio de una manguera resortada para
succión, de una pulgada de diámetro. Para la realización del montaje se empleó tuber ía
de presión de PVC (Policloruro de Vinilo) de 1 pulgada de diámetro, debido a la facilidad
que ofrecía este tamaño para el desarrollo de las pruebas. Con el f in de regular el caudal
que pasaría a través del lecho, se construyó un sistema de bypass mediante la instalación
de dos registros de PV C de 1 pulgada, los cuales controlaban el caudal de entrada, as í
como la presión del f luido. Este sistema, constituido además por tuber ía de PV C, dos
codos y una Tee de 1 pulgada, conduciría una fracción del caudal entregado por la
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electrobomba hacia el lecho granular, mientras que la otra fracción sería recirculada de
nuevo al tanque.
Con el objetivo de conocer las pérdidas de presión que experimentaba el agua a su paso
por el lecho granular, se instaló un manómetro de 0 - 100 psi, el cual registraba la presión
manométrica del agua antes de pasar por el lecho granular, es decir, la resistencia
ofrecida por la “pared de arena”.
Con el f in de realizar las pruebas de remoción para distintas longitudes de lecho, se
emplearon “cartuchos de f iltración” de 25 centímetros cada uno, mediante los cuales se
lograron configuraciones de 0.25, 0.5, 0.75 y 1 metro. Cada cartucho estaba constituido
por un tubo de PVC de 25 centímetros de longitud (de 1 pulgada de diámetro), el cual
sería rellenado con arena f ina compactada. Para realizar la unión entre dos cartuchos de
la forma más hermética posible, se emplearon adaptadores macho y adaptadores
hembra, pegados con soldadura para PVC en cada extremo respectivamente (ver Figura
12). De esta forma, para lograr el empalme de varios cartuchos, bastaba con enroscar el
adaptador macho de un cartucho, con el adaptador hembra del otro. Para controlar las
fugas de agua en las uniones roscadas, se empleó cinta de teflón.
Figura 12. Cartucho de filtración
Para recolectar el agua f iltrada, evitando el paso de la arena del lecho, se instaló el
sistema mostrado en la Figura 13, el cual consta de un codo de 90° de PVC, un geotextil
no tejido (NT) y una abrazadera metálica para sostener este últ imo alrededor del codo. El
geotextil no tejido es un material económico y de fácil adquisición, ampliamente utilizado
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
en la construcción de carreteras y algunas obras de contención de tierras, para permitir el
drenaje del agua de infiltración, sin que con ella se escapen los mater iales f inos que
constituyen la estructura civil. En el otro extremo de este sistema de recolección, se
colocó un adaptador macho de PVC, el cual permitía el fácil acople con los cartuchos de
f iltración.
Figura 13. Sistema de recolección del efluente
Como medio f iltrante se seleccionó arena f ina utilizada para sandblasting, la cual puede
conseguirse comúnmente en depósitos para construcción. Con el f in de conocer el
tamaño efectivo y el coeficiente de uniformidad de la arena, se realizó un análisis
granulométrico a una muestra de 1533,23 gramos de material. En la tabla 5 se presentan
los resultados obtenidos.
Tabla 5. Ensayo de granulometría del material fil trante.
A partir de estos datos, se elaboró la curva granulométrica de este material, la cual se
exhibe en la Figura 14.
# Tamiz Abertura (µm) Abertura (mm) Peso retenido (g) % retenido % acumulado % que pasa20 840 0,84 0 0,00% 0,00% 100,00%40 420 0,42 50,56 3,30% 3,30% 96,70%50 297 0,297 1157,15 75,60% 78,90% 21,10%100 149 0,149 276,61 18,07% 96,97% 3,03%200 74 0,074 39,32 2,57% 99,54% 0,46%230 62 0,062 7,01 0,46% 100,00% 0,00%
1530,65 100,00% - -Total
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Figura 14. Curva granulométrica del material empleado para el lecho.
Así pues, se determinaron los siguientes valores:
Como puede apreciarse, los valores obtenidos se adaptan a los rangos típicos para f iltros
lentos de arena, presentados anteriormente.
Antes de colocar la arena f ina dentro de los cartuchos de f iltración, se procedió a lavar el
mater ial con el f in de eliminar las impurezas presentes en el mismo, constituidas en su
mayor ía por partículas de arcilla, sales y otros minerales. Para realizar este procedimiento
no es necesario emplear agua potable, ya que el mecanismo de lavado se basa en la
suspensión de las impurezas por medio de agitación manual. En la Figura 15, se muestra
el procedimiento empleado para el lavado de la arena.
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Figura 15. Procedimiento de lavado del medio filtrante.
La aparición de espuma durante el proceso de agitación, es un indicativo de la presencia
de impurezas en la arena, las cuales deben ser removidas antes de emplear el material
en el proceso de f iltración, con el f in de evitar la generación de malos olores y coloración
indeseada en el efluente. El procedimiento consta en agregar partes iguales de arena y
agua en el recipiente donde se va a realizar el lavado. Se procede a agitar la mezcla
continuamente, durante aproximadamente un minuto. Posteriormente, se deja reposar la
mezcla durante unos dos minutos, con el f in de que las partículas de arena se asienten en
el fondo, mientras que las impurezas quedan suspendidas en la superficie. Finalmente, se
vierte cuidadosamente el agua, garantizando la permanencia de la arena al interior del
recipiente. Se recomienda llevar a cabo este proceso entre 4 y 5 veces, antes de emplear
la arena para la f iltración de agua. Para mayor claridad, en la Figura 16 se muestra el
aspecto del agua que se obtiene al comenzar este proceso, así como el del agua que
debería lograrse al f inalizarlo, la cual puede tener presencia de partículas suspendidas
(turbidez), pero debe estar libre de espuma y de partículas disueltas (color).
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Figura 16. Aspecto inicial y final del agua utilizada para lavar la arena.
3.1.2 Diseño y construcción del sistema de f iltración
Con base en los resultados de las pruebas preliminares realizadas para determinar la
incidencia de la longitud del lecho en la remoción de partículas suspendidas y
microorganismos (ver sección 4.1), se procedió a realizar el diseño del sistema de
f iltración como tal. Como primer aspecto, se determinó que la unidad f iltrante estaría
compuesta por un cuerpo cilíndrico dispuesto verticalmente, en el cual, el agua sin tratar
entraría por la parte superior del mismo, mientras que el efluente se recolectaría por la
parte inferior, tal y como se muestra en la Figura 17.
Se partió del hecho de que el medio f iltrante deber ía tener una longitud de 1 metro, ya que
para esta medida se logró el efluente de mejor calidad en las pruebas de longitud del
lecho
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Figura 17. Configuración física de la unidad de fi ltración.
Con el f in de determinar el diámetro de tuber ía apropiado para la construcción del
sistema, se estimaron las pérdidas de presión a través del lecho granular para tres
diámetros distintos; 2, 4 y 6 pulgadas. Este cálculo se realizó por medio de la ecuación
Ergun para lechos empacados, la cual es empleada en la determinación de las pérdidas
de cabeza hidráulica para sistemas presurizados.
Para este f in, se adoptaron los siguientes valores típicos reportados en la literatura:
densidad del agua 999 kg/m3, viscosidad 1,14*10-3 cP, tamaño espec íf ico de partícula de
0.3 mm, porosidad del 34% y esfericidad de 0.83. Computando estos datos para caudales
entre 1 y 10 litros por minuto, se obtuvieron los siguientes valores de pérdidas de presión:
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Tabla 6. Cálculo de pérdidas de presión para distintos diámetros de tubería
Como puede apreciarse en la tabla 6, las pérdidas de presión aumentan a medida que se
incrementa el caudal de entrada. Similarmente, las pérdidas son mayores para secciones
transversales pequeñas. Con base a estos resultados, se decidió construir el montaje con
tubería de PV C de 6 pulgadas para agua potable, la cual permitir ía obtener altos caudales
de f iltración, con pérdidas de presión menores; ésto se vería reflejado en bajos
requerimientos energéticos en el sistema de bombeo.
En la Figura 18, se muestra un diseño preliminar de lo que ser ía la configuración del
sistema, con un diámetro de 6 pulgadas.
Figura 18. Diseño preliminar de la unidad de fi ltración en diámetro de 6 pulgadas.
2’’ 4’’ 6’’1 37,6 9,18 4,062 77,52 18,51 8,163 119,74 27,98 12,284 164,28 37,6 16,435 211,13 47,36 20,610 480,05 98,34 41,92
Pérdidas de pres ión (psi/m)
Caudal (L/min)Diámetro de tubería (in)
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El sistema estaría integrado por una tubería de 6 pulgadas de PVC para agua potable, la
cual debería tener 1 metro de longitud entre la entrada del agua cruda y la salida del
efluente f iltrado; ésto para garantizar que el proceso de f iltración se desarrollara a lo largo
de dicha distancia. El f iltro como tal sería alimentado por el mismo sistema de bypass
construido para realizar las pruebas anteriormente mencionadas, debido a que de esta
forma se podría tener fácil control sobre la presión del sistema. Para la adecuación tanto
de la entrada como de la salida del agua del sistema de f iltración, se proyectó utilizar
collarines de PVC de 6 pulgadas, los cuales son comercialmente utilizados para la
realización de acometidas en el servicio de acueducto. Su método de instalación es
bastante sencillo y se presenta en la Figura 19. Primero que todo, se debe introducir el
collarín alrededor del tubo y deslizarlo hasta donde se desee localizar. Posteriormente se
aprieta la rosca f irmemente mediante la utilización de una llave para tubo, de tal forma
que el empaque de caucho del collarín haga buen contacto con la superficie de la tuber ía.
Finalmente, se perfora la tubería a través del orif icio que t iene el collar ín, bien sea
mediante la utilización de un taladro, o de una varilla de hierro caliente. De esta forma se
logra una conexión hermética entre la tuber ía de mayor diámetro, en este caso la de 6
pulgadas, y las tuber ías de alimentación o de salida.
Figura 19. Procedimiento de instalación de los collarines de PVC.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Debido a que la operación del f iltro se realizar ía siempre a una presión mayor a la presión
atmosférica, era obligatorio garantizar la hermeticidad del sistema, con el f in de controlar
la aparición de fugas que afectarían el proceso de f iltración. Sin embargo, también era
necesario tener en cuenta otras variables con el propósito de construir un sistema lo más
versátil posible, que facilitara tanto su proceso de operación como su etapa de
mantenimiento. Con base a ésto, fue necesario pensar en mecanismos que permitieran
acceder fácilmente al interior de la tubería que contendría el medio f iltrante, con el f in de
retirar la arena para su lavado, de una manera práctica y segura. Es así como se pensó
implementar un sistema sencillo de roscas, similar al utilizado durante las pruebas
preliminares expuestas anteriormente. En la parte superior de la tubería de 6 pulgadas, se
colocaría un adaptador macho del mismo diámetro, el cual iría pegado con soldadura para
PV C. Este adaptador permitir ía que mediante el uso de un tapón roscado de 6 pulgadas,
se pudiera sellar herméticamente el f iltro, y poder abrirlo nuevamente en caso de requerir
limpieza. En la parte inferior del f iltro, el sellado se realizaría con un tapón liso soldado
permanentemente a la tuber ía, ya que por este extremo no se requerir ía tener acceso al
sistema. Al igual que para las pruebas preliminares de longitud del lecho, el sistema de
recolección del agua f iltrada estaría constituido por un codo de PVC de 90°, un pedazo de
geotextil no tejido y una abrazadera metálica.
Una vez se determinó dar inicio a la construcción del sistema, se encontraron algunos
inconvenientes técnicos que impidieron el desarrollo del proyecto tal y como estaba
planeado. La principal dif icultad encontrada durante la búsqueda de los mater iales, fue la
ausencia de algunos de los accesorios requeridos. Adicionalmente, el elevado costo de
algunos de dichos accesorios de 6 pulgadas de diámetro en comparación con otros de
diámetros menores, harían que el prototipo fuera inviable económicamente.
En la tabla 7 se presenta una comparación de los costos de los accesorios de 6 pulgadas
y de 4 pulgadas, conseguidos comercialmente en el mercado.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Tabla 7. Comparación de costos para accesorios de 4” y de 6”.
Los accesorios de 6 pulgadas cuyos costos no están disponibles, corresponden a
aquellos que no se consiguen comercialmente. A pesar de que éstos pueden fabricarse
por pedido, su costo es aproximadamente cinco veces mayor en comparación con los
mismos accesorios en diámetro de 4 pulgadas. Como puede apreciarse en la anterior
tabla, la dif icultad en la consecución de accesorios de 6 pulgadas de diámetro, convertiría
a este prototipo en un sistema no sostenible, que sería imposible de replicar, de una
manera práctica, en una situación de emergencia. Debido a esto, se tomó la
determinación de construir el sistema con accesorios de 4 pulgadas de diámetro. Para
este diámetro, se había determinado que un caudal de 1 litro por minuto generar ía
pérdidas de presión de menos de 10 psi por metro lineal al atravesar el lecho granular (ver
tabla 6). Esta cabeza hidráulica podr ía ser suministrada eficientemente por la bomba
centrífuga de medio caballo de potencia, por lo cual el sistema de bombeo no sería un
impedimento para la operación y evaluación del prototipo.
La construcción del sistema de f iltración en diámetro de 4 pulgadas, fue sencilla, segura y
no tomó más de 1 hora. Las herramientas y otros materiales empleados fueron: segueta,
llave de tubo, destornillador, taladro, estopa y soldadura para PVC.
En el Anexo 1, se presenta un despiece del sistema construido, indicando claramente
cada pieza que lo compone. A continuación se explica detalladamente el proceso
constructivo:
‐ Se localizan los dos collarines de PVC, de tal forma que los orif icios de cada uno estén separados entre sí exactamente 1 metro, y que se deje un segmento de por
4" 6"Tubería PVC (1m) $ 15.000 $ 34.800
Adaptador macho $ 19.500 N.D.Tapón roscado $ 18.000 N.D.
Tapón liso $ 16.000 N.D.Collarín PVC (Entrada) $ 9.500 $ 12.500
Collarín PVC (Salida) $ 9.500 $ 12.500Arena fina $ 3.621 $ 8.147
DiámetroAccesorio
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lo menos 5 centímetros de tubería libre en cada extremo, con el f in de permitir la
colocación del adaptador macho y del tapón liso.
‐ Una vez localizados los collarines en el lugar definitivo, se procede a perforar los agujeros de entrada y salida del agua, en la superficie de la tuber ía.
‐ Se continua pegando, con soldadura de PVC, el adaptador macho de 4 pulgadas en la parte superior del tubo.
‐ De la misma forma, se pega el tapón liso en la parte inferior del tubo, como se indica en la Figura 20.
Figura 20. Colocación del tapón liso en la parte inferior del tubo.
‐ Se instala el sistema de recolección del efluente f iltrado mediante el empleo de tubería de ¾ de pulgada, un codo de 90° del mismo diámetro, un pedazo de
geotextil y una abrazadera metálica que asegure éste último alrededor del codo.
Todos los accesorios de PVC de este sistema deben ir pegados con soldadura
para evitar que la presión del agua al interior los desprenda súbitamente. Al interior
de la tuber ía que compone el sistema de drenaje, se colocó una manguera plástica
de ¼ “, a la cual se le realizaron pequeñas perforaciones por donde se recolectaría
el agua f iltrada, aumentando de esta forma el caudal obtenido. Con el f in de evitar
el taponamiento de la manguera con la arena del lecho, ésta fue recubierta en su
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
totalidad con geotextil no tejido, que permite el paso del agua, reteniendo las
partículas de arena. En la Figura 21 se muestra una vista en corte del sistema de
drenaje empleado.
Figura 21. Vista en corte del sistema de recolección del efluente.
‐ A la entrada del collar ín superior –por donde va a ingresar el agua cruda- se instala un niple de hierro galvanizado de ¾”, conectado a una copa del mismo
mater ial de ¾” x 1”. Este último accesorio permite realizar una ampliación del
diámetro de ¾” a 1”. A la salida de esta copa, se enrosca un niple de hierro
galvanizado de 1 pulgada de diámetro.
‐ A continuación se debe instalar un cheque de cortina de 1 pulgada de diámetro, el cual permitirá el paso del agua desde la bomba hacia el f iltro, y no en el sentido
contrario. Este accesorio igualmente evitará que la arena f ina se devuelva desde el
f iltro hacia la bomba, deteriorando su mecanismo (ver Figura 22).
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Figura 22. Instalación de la entrada del afluente.
‐ Seguido a esto, se emplea una manguera resortada de 1 pulgada de diámetro, la
cual debe tener un acople metálico del mismo diámetro en cada extremo de la
misma. La razón para usar una manguera para conducir el agua cruda hacia el
f iltro, es que de esta forma se resta rigidez al sistema, permitiéndole un libre
movimiento de sus componentes (sistema de bombeo y sistema de f iltración). En otro caso, podría emplearse tuber ía de PV C de 1 pulgada en lugar de la manguera
resortada. Un extremo de la manguera se conecta al cheque de cortina, mientras
el otro se enrosca directamente en el sistema de bypass explicado anteriormente,
tal como se indica en el Anexo 1.
‐ Se aconseja que se instale un manómetro antes del ingreso del agua cruda al
f iltro, con el objetivo de registrar las pérdidas de presión a través del lecho, y poder determinar el instante en que éste requiere limpieza.
‐ Una vez ejecutados estos pasos, se recomienda tapar la tuber ía de 4 pulgadas
con el tapón roscado, y realizar una prueba hidráulica del sistema antes de
agregar la arena al f iltro; ésto con el f in de verif icar la ausencia de fugas en las
distintas uniones.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
‐ Seguidamente, se puede proceder a destapar nuevamente la tubería de 4 pulgadas, y rellenarla con la arena f ina previamente lavada. El material debe ser
compactado con algún objeto rígido durante el llenado, hasta alcanzar el nivel del
orif icio abierto para el collar ín superior.
‐ Finalmente, se coloca el tapón roscado en la parte superior del f iltro, utilizando abundante cinta de teflón para evitar la aparición de fugas, como se muestra en la
Figura 23.
Figura 23. Sellado del filtro en su parte superior.
Al f inalizar la etapa de construcción, se obtuvo un sistema de aproximadamente 20
kilogramos de peso (incluyendo el lecho), el cual dadas sus reducidas dimensiones en comparación con otras tecnologías, puede considerarse de fácil transporte y puesta en
marcha (ver Figura 24).
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Figura 24. Montaje definitivo del sistema de fi ltración a presión.
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3.2 EVALUACIÓN
3.2.1 Parámetros de calidad evaluados
Este estudio se centra en la evaluación de los parámetros de calidad físicos y
microbiológicos obtenidos a partir de la operación del sistema propuesto. En términos
generales, puede definirse a los parámetros físicos como aquellos que pueden ser
percibidos mediante el uso de los sentidos; color, olor, sabor y presencia de sólidos en
suspensión en el agua. Por su parte, los parámetros microbiológicos son aquellos
relacionados con la presencia de vida microbiana en una muestra de agua. En este
contexto, la evaluación del sistema de tratamiento de agua diseñado, comprende la
realización de pruebas de turbiedad y de Escherichia coli y Coliformes Totales, con el f in
de determinar la eficiencia de la unidad de tratamiento en la remoción de dichos
parámetros. Adicionalmente, se evaluará el efecto del f iltro sobre la concentración de
iones [H+], mediante la alimentación del sistema con un afluente de pH ácido.
Turbiedad
La turbiedad es un indicativo de las propiedades que tiene determinada muestra de agua
para permitir el paso de la luz a través de ella. Esta propiedad se debe a la presencia de
partículas suspendidas de arena, arcilla, mater ia orgánica e inorgánica, entre otros. La
turbiedad es un parámetro clave en el tratamiento de agua potable, ya que ésta t iene una
gran incidencia en el proceso de desinfección. En muestras de agua turbias, los
microorganismos se protegen de la acción de los desinfectantes adhiriéndose a las
partículas suspendidas.
La medición de la turbiedad por medio del método nefelométrico, se basa en la
comparación entre la intensidad de la luz que pasa a través de una muestra de agua y la
intensidad de la luz que pasa a través de una solución estándar bajo las mismas
condiciones. Como patrones estándares se emplean comúnmente soluciones de
formacina, las cuales son utilizadas en la calibración del equipo (Metcalf & Eddy, 2004).
Para la realización de los ensayos de turbiedad, se utilizó un turbidímetro portátil Hach
2100P (ver Figura 25) el cual tiene un rango de medición entre 0,01 y 1.000 NTU
(unidades nefelométricas de turbidez). El principio de funcionamiento de este instrumento
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consta de una lámpara de f ilamento de tungsteno, un detector en 90° para captar la luz
difusa y un detector de luz transmitida. El microprocesador del turbidímetro calcula el
coeficiente entre las señales del detector en 90° y del detector de luz transmitida, tal como
lo muestra la Figura 26, y de esta forma computa el valor de turbidez de la muestra
(HACH, 2001).
Figura 25. Turbidímetro Hach 2100P.
Fuente: (http://www.rosesci.com/)
Figura 26. Modo de funcionamiento del Turbidímetro Hach 2100P.
Fuente: (HACH, 2001)
El método estándar empleado para la realización de ensayos de turbiedad por medio del
método nefelométrico es el SM 2130B. Con base a este protocolo, se tomaron en cuenta
las siguientes recomendaciones (Eaton, 2005):
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‐ Las muestras de agua deben ser tomadas en recipientes de vidrio o plástico.
‐ Las soluciones con turbiedades mayores a 1.000 NTU deben ser diluidas antes de su análisis.
‐ Se recomienda analizar la muestra inmediatamente después de haber sido
tomada, con el f in de prevenir cambios de temperatura y procesos de sedimentación y f loculación al interior de la muestra. Sin embargo, ésta puede ser
almacenada hasta por 24 horas refrigerada y en la oscuridad.
‐ Cambios importantes de temperatura pueden provocar que algunas partículas
originalmente suspendidas, se disuelvan en la muestra, causando imprecisiones
en la medición de este parámetro.
‐ En el caso de haber almacenado una muestra, ésta debe ser dejada a temperatura ambiente y ser agitada antes de su análisis. Igualmente, debe asegurarse que no
hayan burbujas de aire que puedan interferir con la medición.
Adicionalmente, el método estándar SM 2130B recomienda reportar el valor medido de
turbiedad, de acuerdo con las siguientes relaciones (Eaton, 2005):
Tabla 8. Modo de reportar valores de turbiedad de acuerdo con el método estándar SM 2103B.
Rango de Turbiedad (NTU) Reportar a la cifra más cercana (NTU) 0 -1 0.05
1 - 10 0.1 10 - 40 1
40 - 100 5 100 - 400 10
400 - 1000 50 > 1000 100
Fuente: Eaton, 2005
Escherichia coli y Coliformes Totales
Las coliformes se definen como un grupo de bacterias con morfología bacilar, Gram
negativas, no formadoras de endosporas, aerobias y anaerobias facultativas. Dentro de
este grupo se encuentra la Escherichia coli (o simplemente E. coli), la cual es
ampliamente utilizada como indicador de contaminación fecal en aguas y alimentos. Este
es el microorganismo más estudiado por el ser humano, debido entre otras razones, a la
facilidad de su cultivo y la rapidez con que se reproduce. Es uno de los muchos grupos
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bacterianos que habitan en los intestinos de los humanos sanos y en la mayoría de los
animales de sangre caliente. Ayuda a mantener el equilibrio de la f lora intestinal normal,
previniendo el ataque de bacterias nocivas. De igual forma, es vital en la s íntesis de
algunas vitaminas. Sin embargo, existen algunas cepas de esta bacteria capaces de
causar serias enfermedades al hombre. Este es el caso de la cepa conocida como E. coli
O157:H7, causante de una grave infección intestinal en los humanos, a partir de la
producción de una potente toxina que ataca la mucosa de la pared intestinal provocando
diarrea con sangre (University of Virginia Health System, 2008). Igualmente, la acción de
esta bacteria en el cuerpo humano puede provocar fallas temporales o permanentes en
los riñones, siendo los niños menores de 5 años y los adultos mayores de 65 años, los
más vulnerables a sufrir complicaciones renales (Texas Department of State Health
Services, 2005).
Para la determinación de la presencia de coliformes totales y E. Coli en muestras de agua
potable, se emplea frecuentemente el ensayo de f iltración por membrana. Esta técnica es
ampliamente usada en análisis microbiológicos de agua potable y aguas naturales, debido
a que es un procedimiento altamente reproducible, puede ser usado para analizar
muestras de gran volumen, y porque arroja resultados numéricos más rápidamente en
comparación con otros ensayos como el de los tubos de fermentación múlt iple (Eaton,
2005).
El método de f iltración por membrana es utilizado para el análisis de muestras de aguas
potables, aguas naturales y efluentes de aguas residuales altamente purif icadas. Este
ensayo consiste en hacer pasar la muestra de agua a través de un papel f iltro
biológicamente inerte de Nitrato de Celulosa, con tamaño de poro de 45 micras, por medio
de la utilización de una bomba de vacío. A continuación, el papel f iltro es colocado sobre
un medio de cultivo, con la cuadrícula hacia arriba. El medio de cultivo comúnmente utilizado para la realización de este ensayo es el m-ColiBlue24® Broth, el cual está
disponible en ampolletas de 2 mililitros para la realización de cada siembra.
Posteriormente, la siembra realizada al interior de una caja de Petri, es puesta en una
incubadora a temperatura de 35 °C, durante un periodo de 24 horas. Finalmente se
realiza el conteo de las colonias. Las colonias de coliformes totales aparecen en color
rojo, mientras que las de E. coli aparecen en color azul.
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Figura 27. Medio de cultivo m-ColiBlue24® Broth.
Fuente: (http://www.mill ipore.com/catalogue)
Los métodos estándar utilizados para la realización de este ensayo, son el SM 9222B
para el análisis de Coliformes Totales y el SM 9222D para Coliformes Fecales. Algunas
de las recomendaciones mencionadas en estos protocolos son: (Eaton, 2005)
‐ Usar recipientes estériles para la toma de muestras, como los frascos de muestra de orina.
‐ Si la muestra a tomar viene de una llave, se recomienda abrir y dejar salir agua durante 1 minuto antes de tomar la muestra. Si proviene de una corriente continua
tomar la muestra normalmente.
‐ En el momento de la toma de muestras, se debe enjuagar el recipiente tres veces con el agua a analizar antes de recolectar la misma. Tapar tan pronto como se
llene el recipiente. No es aconsejable dejar burbujas de aire al interior.
‐ Tomar como mínimo 250 ml de muestra.
‐ Realizar el cultivo inmediatamente después de haber tomado la muestra. En caso de requerir almacenamiento, la muestra puede ser conservada durante un máximo
de 24 horas a una temperatura de 4 °C.
‐ Esterilizar el área de trabajo, haciendo uso de alcohol, solución diluida de fenol ó solución diluida de hipoclor ito de sodio.
‐ En el caso de emplear el medio de cultivo m-ColiBlue24® Broth, se recomienda realizar un blanco, f iltrando 100 ml de agua desionizada de la misma que se usará
en los enjuagues.
‐ Realizar diluciones de las muestras cuando se considere necesario.
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3.2.2 Descripción de pruebas preliminares
Para la realización de las pruebas microbiológicas y de turbiedad para distintas longitudes
de lecho, se utilizó agua recolectada en el río San Francisco -parcialmente canalizado en
el Eje Ambiental- a su paso por la carrera primera Este al oriente de Bogotá (ver Figura
28). Debido a las múltiples descargas domésticas que recibe este río desde su nacimiento
en el Páramo de Choachí, sus aguas presentan parámetros de contaminación microbiana
idóneos para la realización de las pruebas.
Figura 28. Localización del sitio de toma de muestras.
Fuente: (http://www.bing.com/maps/)
Debido a que la turbiedad de este cuerpo de agua es en general baja y rara vez supera
las 20 NTU, la cantidad de sólidos suspendidos fue incrementada mediante la adición de
bentonita, una arcilla de color claro y tamaños de partícula inferiores a 2 µm. De esta
forma, se realizaron mediciones de turbiedad a la entrada y a la salida del lecho para cada
longitud de prueba (25, 50, 75 y 100 cm) con el turbidímetro portátil Hach 2100P. Dichas
mediciones se efectuaron cada minuto, con el objetivo de estimar el tiempo de
estabilización del sistema, al igual que el porcentaje de remoción de turbiedad en cada
caso. De igual forma, se realizaron ensayos microbiológicos para las longitudes de 25
centímetros y 100 centímetros, tanto para el afluente como para el efluente. Ésto con el
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objetivo de determinar la relación entre la longitud del lecho y la remoción de
microorganismos a través de éste.
De igual manera, para las estimaciones del caudal se utilizó agua del grifo del Laboratorio
de Análisis Químico Ambiental 1 del Edif icio Mario Laserna (ML-415) en la Universidad de
los Andes, cuya turbiedad es de 1 NTU y tiene ausencia de coliformes totales y E.coli, de
acuerdo con los análisis realizados a una muestra de esta fuente. La medición de caudal
se efectuó registrando el tiempo que tardó el sistema en tratar un volumen de 100 ml o
200 ml, con cada longitud de lecho, a distintas presiones de operación.
3.2.3 Evaluación del sistema de f iltración
De manera similar a la empleada para las pruebas de longitud, para la realización de los
ensayos microbiológicos en el sistema de f iltración, se utilizó agua proveniente del Eje
Ambiental en el mismo punto de muestreo. Sin embargo, la turbiedad de la muestra no fue
alterada, alimentándose directamente a la unidad de tratamiento.
Por su parte, las pruebas de turbiedad se realizaron independientemente, mediante la
utilización de agua potable adicionada con bentonita. De esta forma, se evaluó el
desempeño del f iltro bajo valores distintos de turbiedad y de presión.
Adicionalmente, se efectuaron mediciones del caudal tratado en distintas etapas
operativas del f iltro; es decir, para diferentes niveles de colmatación del lecho. Para tal f in,
se hizo uso exclusivo de agua potable.
4 RESULTADOS
4.1 RESULTADOS PRUEBAS DE LONGITUD
Las muestras fueron recolectadas en dos días: el 27 de agosto de 2009 y el 3 de
septiembre de 2009. Como se mencionó anteriormente, la turbiedad de estas muestras de
agua fue incrementada mediante la adición de pequeñas cantidades de bentonita. De esta
forma, la primera muestra tenía los siguientes parámetros de calidad: turbiedad promedio
de 38 NTU y concentración de Coliformes Totales de 330 UFC/100 ml. Por su parte, la
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segunda muestra, es decir la del 3 de septiembre, presentó una turbiedad promedio de 98
NTU y una concentración de Coliformes Totales de 5280 UFC/100 ml.
4.1.1 Influencia de la longitud del lecho y la presión, en el caudal f iltrado
Al calcular los caudales aproximados con base en el procedimiento descrito
anteriormente, se observó que para una longitud de lecho específ ica, al incrementar la
presión, también aumentó el volumen de agua f iltrada por unidad de t iempo (ver Figura
29).
Figura 29. Influencia de la longitud del lecho y la presión en el caudal filtrado.
De manera similar, es posible establecer una clara relación entre la longitud del lecho y el
caudal f iltrado. Tal como se esperaba, a una presión constante, el caudal del efluente es
menor entre más largo sea el lecho (ver Figura 30).
0
5
10
15
20
25
0,25 0,5 0,75 1
Caud
al fil
trado
(L/h)
Longitud del lecho (m)
8-10 psi
15-17 psi
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52
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Figura 30. Efecto de la longitud del lecho en el caudal filtrado.
4.1.2 Influencia de la longitud del lecho en la remoción de partículas suspendidas
Con base en los resultados de las pruebas realizadas, se observó que el parámetro de
turbiedad tiene un comportamiento que concuerda perfectamente con la teor ía de la
f iltración granular (MWH, 2005). Al inicio del ciclo, la turbiedad del efluente alcanza un
punto máximo, que correspondería al periodo de maduración del f iltro, tal y como se
presentó previamente en la Figura 1. Inmediatamente después, la turbiedad desciende
drásticamente hasta valores que oscilan entre 4 y 7 NTU, iniciándose de esta forma el
periodo de f iltración efectiva, hasta que se alcanza un valor de turbiedad estable (ver
Figura 31 y Tabla 9).
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Caud
al fil
trado
(L/h
)
Presión (psi)
0,25m 0,5m
0,75m 1,0m
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53
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Figura 31. Tiempo de estabilización del medio filtrante para longitudes del lecho de 25, 50, 75 y 100 cm.
A partir de los resultados presentados en la Figura 31, es posible observar que el tiempo
de estabilización del f iltro es proporcional a su longitud, de tal manera que a menor
longitud del lecho, se alcanza la turbiedad mínima en un tiempo menor. Esto se debe
posiblemente a la compactación del lecho promovida por el f lujo a presión a la entrada.
Sin embargo, no se observan resultados contundentes que confirmen la hipótesis de que
la remoción de turbiedad es proporcional a la longitud del lecho de arena, ya que los datos
obtenidos experimentalmente muestran que la turbiedad del agua tratada por los f iltros de
prueba de 25, 75 y 100 cm es de 2 NTU, mientras que con el f iltro de 50 cm la turbiedad
f inal fue de 1 NTU (ver Tabla 9).
Dado que la eficiencia en la remoción de partículas suspendidas no mostró grandes
diferencias para longitudes distintas de lecho, se efectuaron pruebas microbiológicas para
lechos de 25 y de 100 centímetros, con el objetivo de confirmar la hipótesis de que a
mayor longitud del lecho, mayor remoción de microorganismos.
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Turb
iedad
(NTU
)
Tiempo transcurrido (min)
0,25 m0,50 m0,75 m1,0 m
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Tabla 9. Datos de turbiedad (NTU) obtenidos con los lechos de prueba a 15-17 psi.
Tiempo (min)
Longitud del lecho 0.25 m 0.50 m 0.75 m 1.0 m
0 19 28 - - 1 4 39 14 - 2 4 4 14 - 3 2 4 40 - 4 2 3 59 - 5 2 3 7 53 6 2 2 5 43 7 1 3 19 8 1 3 8 9 1 2 8 10 2 4 11 2 4 12 3 13 3 14 2 15 2 16 2
4.1.3 Influencia de la longitud del lecho en la remoción microorganismos
Las pruebas microbiológicas fueron realizadas en días diferentes, por lo cual, el agua
recolectada del Eje Ambiental presentaba parámetros de calidad distintos. Debido a esto,
la comparación entre las eficiencias de remoción de ambas longitudes, se realizó
porcentualmente.
Para el lecho de 25 cm, el agua del afluente tenía altísimas concentraciones de E. coli,
que fueron removidas únicamente en un 26,3%. La remoción de coliformes totales fue del
63,4% (ver Tabla 10).
Para la prueba con el lecho de 1 m, el afluente tenía una menor concentración de
coliformes totales y E.coli. Sin embargo, éstos fueron removidos en porcentajes de 83,3%
IAMB 200920 05 IAMB 200920 27
55
Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
y 89,7%, respectivamente, lo cual en principio es satisfactorio. Sin embargo, la calidad
microbiológica del agua f iltrada no cumple con el límite establecido por la Resolución 2115
de 2007 para agua de consumo humano, que establece un criterio de 0 UFC/100 ml (ver
Tabla 11), pero cumple de lejos los parámetros para ser apta para un tratamiento simple
de desinfección posterior (Decreto 1594/1984).
Tabla 10. Resultados de remoción de coliformes totales y E. coli para un lecho de prueba de 25
centímetros.
Agua cruda (Eje Ambiental, 3 de septiembre de 2009) E. coli UFC/100 ml 2510 Coliformes Totales UFC/100 ml 5280 Agua tratada con lecho de 0.25 m E. coli UFC/100 ml 1850 Coliformes Totales UFC/100 ml 1930
Porcentajes de remoción
E. coli 26.3% Coliformes Totales 63.4%
Tabla 11. Resultados de remoción de coliformes totales y E. coli para un lecho de prueba de 1 m.
Agua cruda (Eje Ambiental, 27 de agosto de 2009) E. coli UFC/100 ml 90 Coliformes Totales UFC/100 ml 330 Agua tratada con lecho de 1 m E. coli UFC/100 ml 15 Coliformes Totales UFC/100 ml 34
Porcentajes de remoción
E. coli 83.3% Coliformes Totales 89.7%
Estos resultados experimentales llevan a concluir que, aunque la remoción de partículas
suspendidas parece no estar inf luenciada por la longitud del lecho, la remoción de
microorganismos depende estrechamente de esta variable. Por tanto, se estableció que la
unidad de f iltración debía ser diseñada para una longitud de lecho de 1 metro, ya que una
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56
Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
medida inferior no garantizaría la remoción de microorganismos, y un lecho de mayor
dimensión representar ía aumentos considerables en el peso total del sistema.
4.2 RESULTADOS DE EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE FILTRACIÓN
4.2.1 Remoción de turbiedad
Al alimentar el sistema con un afluente de una turbiedad de 200 NTU, tanto para un lecho
que había tratado únicamente 30 L de agua, como para un lecho que ya había tratado 210
L de agua cruda de turbiedades entre 10 y 800 NTU, utilizando presiones entre 6 y 13 psi
y produciendo un caudal aproximado de 1 L/min, se obtuvieron los siguientes resultados:
Figura 32. Desempeño de la unidad de filtración para afluente de 200 NTU.
02468
1012141618202224262830
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Turb
ieda
d (N
TU)
Tiempo (min)
200 NTU - 30 L200 NTU - 210 L
Desinfección posterior (<10 NTU)
Consumo directo (<2 NTU)
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
En primer lugar, para ambos casos se observa un comportamiento similar al obtenido en
las pruebas realizadas para determinar el efecto de la longitud sobre la remoción de
turbiedad con los lechos de prueba. Al inicio, se presentó un máximo de turbiedad de
aproximadamente 30 NTU con una duración menor a 1 minuto, que disminuyó
drásticamente hasta valores inferiores a 10 NTU; de tal manera, en ambos casos se
puede identif icar un tiempo de estabilización del f iltro de aproximadamente 6 minutos, a
partir del cual las turbiedades siguen disminuyendo con el tiempo pero mantienen valores
relativamente constantes.
Para el caso de la curva punteada, que refleja el comportamiento del sistema con un
lecho de poco uso (30 L), se observa que el efluente tiene turbiedades menores a 10 NTU
a partir del cuarto minuto de corrida, lo cual da muestra del bajo t iempo de estabilización
del sistema. No obstante, aunque la turbiedad t iende a disminuir en el tiempo restante de
la corrida, en ningún momento de los 20 minutos de medición alcanzó valores de
turbiedad menores a 2 NTU.
Por otra parte, para la línea continua que muestra la turbiedad del efluente al tratar el
agua con un lecho con mayor uso previo (210 L), se observa que después del tiempo de
estabilización que dura también 4 minutos, prácticamente todas las turbiedades del
efluente son menores a 2 NTU.
De manera análoga, para las pruebas realizadas alimentando al sistema con un agua con
800 NTU de turbiedad para ser tratada con un lecho que había tratado 90 L y otro que
había tratado 210 L, se obtuvo:
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Figura 33. Desempeño de la unidad de filtración para afluente de 800 NTU.
De la misma forma, se observa que después de 6 minutos aproximadamente, el sistema
comienza a estabilizarse, y en adelante, la turbiedad se mantiene constante. Para el lecho
de menor uso previo, se observa que la turbiedad f inal del afluente logra valores entre 2 y
4 NTU en el tiempo restante de la corrida, teniendo en cuenta un pequeño pico de 7 NTU.
El lecho que ya había tratado 210 L anteriormente, ofrece un afluente cuya turbiedad se
mantiene alrededor de 1 NTU (Ver Figura 34).
A partir de los resultados obtenidos con las pruebas con afluentes de 200 NTU y 800
NTU, es posible llegar a varias conclusiones. En términos generales, se observa que el
sistema tiene una gran efectividad para la remoción de material suspendido, en tanto que
logra ofrecer efluentes de turbiedades entre 1 y 4 NTU para fuentes de agua de alta
turbidez.
01234567
89
101112
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Turb
ieda
d (N
TU)
Tiempo (min)
800 NTU -90 L800 NTU -210 L
Desinfección posterior (<10 NTU)
Consumo directo (<2 NTU)
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Figura 34. Aspecto de la muestra de agua antes y después de pasada por el fil tro.
Por otra parte, se observa un efecto claro del tiempo de operación del f iltro o volumen
tratado previamente por el mismo, sobre la remoción de material suspendido. A medida
que el sistema es operado, la calidad del efluente aumenta. Esto se debe a que,
posiblemente, al someter el lecho a un f lujo a presión, este se compacta sucesivamente,
disminuyendo el tamaño de poro, de tal manera que la capacidad de retención por cribado
se incrementa, en tanto que partículas de menor tamaño van a poder quedar retenidas en
los intersticios del lecho. Otra posible causa del efecto de la operación previa sobre la
calidad del efluente es la presencia de una torta en la parte superior del lecho, formada
lentamente a part ir de la acumulación de material suspendido removido sucesivamente y
que se aglomera en la superficie, aumentando la dif icultad de paso de las partículas a
través de esta, y por tanto, removiendo cada vez más material de menor tamaño.
4.2.2 Remoción de microorganismos
Las pruebas para determinar la eficiencia de remoción de Escherichia coli y Coliformes
Totales de un lecho f iltrante con 350 L de uso previo arrojaron los siguientes resultados:
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60
Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Tabla 12. Resultados de pruebas microbiológicas para un lecho con uso previo.
Tiempo toma de muestra (min) Parámetro de Calidad Afluente 0 5 15 20 Turbiedad (NTU) 8 17,2 5,6 3,7 2,3 E. coli (UFC/100 ml) 190 0 0 0 0 Coliformes NF (UFC/100 ml) 6120 220 110 25 7 Coliformes Totales (UFC/100 ml) 6310 220 110 25 7
Tabla 13. Eficiencias de remoción de microorganismos para un lecho con uso previo.
Tiempo (min) Remoción 0 5 15 20 E. coli (%) 100% 100% 100% 100% Coliformes No Fecales (%) 96,4% 98,2% 99,6% 99,9% Coliformes Totales (%) 96,5% 98,3% 99,6% 99,9%
Figura 35. Eficiencia de remoción de Coliformes Totales y Escherichia Coli.
En primer lugar, se observa que la remoción de E. coli es total desde el inicio de la
corrida, mientras que para los coliformes no fecales, que de acuerdo con el medio de
cultivo utilizado corresponde a la presencia de Enterobacter cloacae, Enterobacter
aerogenes, Klebsiella pneumoniae y Citrobacter freundii, la remoción inicial es del 96.4%
96,0%
96,5%
97,0%
97,5%
98,0%
98,5%
99,0%
99,5%
100,0%
0 5 10 15 20
Rem
oció
n (%
)
Tiempo (min)
E. coli (%)
Colformes Totales (%)
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
y muestra un incremento sucesivo con el tiempo hasta alcanzar una remoción del 99.9%
de coliformes no fecales y de coliformes totales, después de 20 minutos de iniciada la
corrida. En esta evaluación preliminar se observa, entonces, que el t iempo tiene efecto,
tanto en la eficiencia de remoción de material suspendido que aporta turbiedad, como en
la eficiencia de remoción de microorganismos (ver Anexo 2).
Para determinar la inf luencia en el uso previo del lecho f iltrante en la remoción de
microorganismos, se destapó el f iltro por la parte superior con el f in de reemplazar el
lecho por uno totalmente nuevo y efectuar las mismas pruebas de coliformes. Cabe notar
que en el momento del cambio del f iltro, que había sido utilizado para las pruebas de
remoción de turbiedad y había tratado un volumen cercano a los 350 L, se observó la
formación de una torta arcillosa de aproximadamente 3 cm de espesor en la parte
superior del lecho, que muy posible aumentaba la resistencia al f lujo del agua y al paso
de material suspendido y microorganismos. En consecuencia, la formación de esta torta
refuerza la hipótesis planteada de que la razón por la cual el volumen tratado previamente
por la unidad f iltrante influye sobre la eficiencia de remoción es la formación de una torta
de material que se encontraba suspendido en el afluente y fue removido por cribado,
debido al menor tamaño de los poros del lecho de arena.
Las pruebas de remoción de E. coli y Coliformes Totales para el lecho totalmente nuevo
se realizaron únicamente para tiempos de 5 y 15 minutos después de iniciar la corrida.
Los resultados se presentan a continuación:
Tabla 14. Eficiencias de remoción de microorganismos para un lecho nuevo.
T iempo (min) Remoción 5 15 E. coli (%) 87,3% 87,8% Coliformes No Fecales (%) 83,9% 87,1% Coliformes Totales (%) 86,4% 87,7%
Tal como se esperaba, al utilizar un lecho completamente nuevo, la eficiencia de remoción
es menor en comparación con un lecho ya usado, posiblemente debido a la ausencia de
la torta ya descrita. No obstante, se observa que de todas maneras se remueve una
fracción más que importante de microorganismos que aumenta con el tiempo de la corrida. Esto indica que muy probablemente el tamaño de poro del lecho es lo
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
suficientemente pequeño, de tal manera que aun sin la presencia de una torta debida a la
operación previa, un 87.7% de los microorganismos fueron removidos debido a los
mecanismos de cribado e intercepción a causa del menor tamaño de los poros con
respecto al tamaño de los microorganismos y la tortuosidad del lecho.
En consecuencia, se puede concluir de manera preliminar que la f iltración por profundidad
(depth filtration) es uno de los mecanismos de remoción predominantes en este sistema
de f iltración, y que la mayoría de los microorganismos se retienen en los intersticios del
lecho f iltrante. El aumento definitivo de la eficiencia de remoción, hasta alcanzar valores
de 99.9% para coliformes totales, se debe entonces a la formación de una torta de
mater ial suspendido removido previamente durante la operación del sistema.
Finalmente, ante las conclusiones acerca de los resultados obtenidos para un lecho
nuevo, se quiso determinar el efecto de una recirculación del agua ya tratada, simulando
un sistema de 2 f iltros de iguales características dispuestos en serie, sobre la remoción
f inal de microorganismos. Esto se hizo recolectando el agua tratada, introduciéndola
nuevamente en el tanque colector y pasándola inmediatamente por el sistema. Los
resultados que arrojó este experimento se presentan a continuación:
Tabla 15. Resultados de pruebas microbiológicas de dos ciclos de fi ltración para un lecho nuevo.
Primer ciclo Segundo ciclo T iempo de toma de muestra (min)
Parámetro de Calidad Afluente 5 15 5 15 Turbiedad (NTU) 12 7,1 2,8 2,1 1,9 E. coli (UFC/100 ml) 1810 230 220 90 80 Coliformes NF (UFC/100 ml) 620 100 80 60 60 Coliformes Totales (UFC/100 ml) 2430 330 300 150 140
Tabla 16. Eficiencias de remoción de microorganismos durante dos ciclos para un lecho nuevo.
Primer ciclo Segundo ciclo T iempo de toma de muestra (min)
Remoción 5 15 5 15 E. coli (%) 87,3% 87,8% 95,0% 95,6% Coliformes NF (%) 83,9% 87,1% 90,3% 90,3% Coliformes Totales (%) 86,4% 87,7% 93,8% 94,2%
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Tabla 17. Remoción de microorganismos del ciclo 2 con respecto al ciclo 1.
Ciclo Remoción 1 2 E. coli (%) 87,8% 63,6% Coliformes No Fecales (%) 87,1% 25,0% Coliformes Totales (%) 87,7% 53,3%
Se observa que existe un efecto notorio en la remoción de microorganismos si se recircula
el agua tratada previamente. Con respecto al afluente inicial de agua cruda, al recircular el
efluente inicial al cual se le había removido el 87.8% de E. coli y el 87.7% de los
coliformes totales, la remoción f inal aumenta hasta alcanzar valores de 95.6% y 94.2%,
respectivamente (ver Anexo 3).
Si se cuantif ica la remoción del segundo ciclo con respecto a la calidad del agua del
efluente del ciclo 1 y no del agua cruda, es posible observar más claramente el efecto del
segundo ciclo sobre los parámetros de calidad del agua producida. Al recircular el agua
previamente tratada en un ciclo, se remueve el 63.6% de E.coli que quedó después del
primer ciclo. Así mismo, el 25% de los coliformes no fecales y el 53.3% de los Coliformes
Totales remanentes del primer ciclo, fueron removidos durante el segundo ciclo. A
continuación se presentan las gráficas que muestran el efecto de la recirculación sobre la
remoción con respecto al agua cruda y con respecto a la calidad del efluente del primer
tratamiento respectivamente:
Figura 36. Eficiencia de remoción de Escherichia Coli durante dos ciclos de filtración.
84%86%88%90%92%94%96%98%
100 %
5 10 15 20 25 30
Rem
oció
n E
.col
i(%
)
Tiempo (min)
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Figura 37. Eficiencia de remoción de Coliformes Totales durante dos ciclos de filtración.
Figura 38. Comparación entre la eficiencia de remoción durante los dos ciclos de tratamiento.
En las primeras dos gráficas, la línea punteada muestra el tiempo que se tardó en tomar
la primera muestra del efluente del segundo ciclo (5 minutos) después de ser iniciado, y el
claro efecto en la remoción de E. coli y coliformes totales, donde el segundo paso por el
f iltro disminuye aún más la presencia de coliformes en el agua. La segunda, muestra
claramente cómo el primer ciclo es más efectivo que el segundo para la remoción de
microorganismos. Esto puede deberse a que cuando la concentración de coliformes es
84%86%88%90%92%94%96%98%
10 0%
5 10 15 20 25 30
Rem
oció
n C
T (%
)
Tiempo (min)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
E. coli (%) Colifo rmes No Fecales (%)
Coliformes Totales (%)
Efluente inicial (Ciclo 1) Efluente Recirculación (Ciclo 2)
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
menor, la probabilidad de que estos queden retenidos en un intersticio se reduce
notablemente.
Al comparar los resultados obtenidos, tanto de turbiedad como de presencia de E. coli y
coliformes totales en el efluente del sistema, con los límites aceptables de calidad
establecidos en la legislación colombiana vigente, se puede evaluar el rendimiento real
del sistema y la forma de operación más apropiada del mismo para cumplir estos
parámetros.
En primer lugar, se observa que en todos los casos, la turbiedad del efluente es menor a
10 NTU. Por consiguiente, según el Decreto 1594 de 1984 del Ministerio de la Protección
Social, el agua tratada por el sistema puede ser tratada posteriormente únicamente
mediante métodos de desinfección. En algunos casos, específ icamente cuando el f iltro
alcanza su máxima eficiencia de remoción debido a la formación de la torta y a la
disminución gradual del tamaño de poro en el lecho, el efluente alcanza turbiedades
menores a 2 NTU. Esto indicar ía que, en términos de turbiedad, según la Resolución 2115
de 2007, el agua tratada por el sistema luego de utilizar el f iltro previamente, podría ser
consumida directamente.
En términos de presencia de coliformes totales y E. coli en el efluente del sistema, se
observa que, para la calidad de los afluentes evaluados, cuyas concentraciones de
coliformes estuvieron entre 330 y 5300 UFC/100 ml, la remoción fue superior al 85%,
tanto para lecho nuevo como para lecho usado previamente, de tal manera que incluso al
inicio de las corridas, la concentración de coliformes totales fue inferior a 1000 UFC/100
ml. Esto indica, según el Decreto 1594 de 1984, que el efluente del sistema puede ser
consumido directamente después de someter lo únicamente a un tratamiento de
desinfección. No obstante, en ningún caso se observó remoción total de coliformes
totales, hasta obtener una concentración de 0 UFC/100 ml en el efluente. Esto implica que, en términos de calidad microbiológica, según la Resolución 2115 de 2007 de la
República de Colombia, el agua tratada no es apta para consumo humano directo.
Por tanto, al integrar los resultados de los parámetros de calidad evaluados, se puede
concluir que al tratar un agua de hasta 5300 UFC/100 ml y 800 NTU de turbiedad con el
sistema diseñado, se va a obtener agua que según la legislación colombiana vigente, con
IAMB 200920 05 IAMB 200920 27
66
Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
un tratamiento posterior de desinfección, como adición de hipoclorito de sodio, va a
cumplir los requerimientos mínimos de calidad para ser agua de consumo humano.
Esto implica que el sistema de f iltración diseñado es de gran utilidad para contextos en
donde por infraestructura o disponibilidad de materias primas o equipos, las etapas de
tratamiento convencional de agua potable, como coagulación/f loculación o sedimentación
son de difícil implementación. Es decir, el sistema de f iltración diseñado permite que
retirando únicamente las partículas sólidas de gran tamaño del agua (piedras, barro), con
ayuda de una malla, es posible alimentar al sistema agua con gran cantidad de material
suspendido y prescindir de las etapas del tratamiento convencional, removiendo
prácticamente todo el material suspendido de hasta 2 µm, como la bentonita, y en una
fracción muy importante los contaminantes microbiológicos de alrededor de 1 µm, como
los coliformes.
4.2.3 Efecto en el pH
Metodología: Para la realización de esta prueba, se agregaron 5 ml de ácido acético al
99% a un recipiente de 60 L de agua potable del acueducto, tomada del grifo del
Laboratorio de Análisis Químico Ambiental de la Universidad de los Andes, que se tomó
como afluente. Se inició una corrida de 30 minutos, y se tomaron mediciones de pH en el
efluente del sistema cada 2 minutos, con el pH-metro Mettler Toledo® del Laboratorio de
Procesos Químicos de la Universidad de los Andes. El objetivo de esta prueba fue
determinar el efecto del paso del agua por el sistema sobre la concentración de iones [H+]
en el agua. Por ende, esta prueba constituye una estimación de la capacidad de remoción
de material disuelto en el agua por parte del sistema de tratamiento.
Resultados: El pH inicial del agua del acueducto fue de 7.20, y al agregar 5 ml de ácido
acético al 99% en un volumen de 60 L de agua, el pH descendió hasta 4.45, lo cual indica
un incremento drástico en la concentración de iones [H+] en el agua, haciéndola muy ácida. Durante los primeros 10 minutos de la corrida, se observó que el pH del efluente
era de alrededor de 7.50; posteriormente, hubo un descenso importante en este
parámetro hasta alcanzar un valor estable de aproximadamente 5.0, después de los 20
minutos de iniciada la corrida.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Figura 39. Comportamiento del parámetro de pH durante un ciclo de filtración.
La poca variación en el pH de los primeros 10 minutos de la corrida se debe,
posiblemente, a la retención de agua previamente alimentada al sistema que se
encontraba retenida en los poros del lecho f iltrante, y fue empujada por la presión ejercida
por el bombeo. El marcado descenso del pH a partir del minuto 10 hasta el minuto 20, se
debería entonces a la etapa de cambio de agua, de tal forma que el efluente del f iltro
empezó a ser el agua con alta acidez. A partir del minuto 20 y en adelante, el pH se
estabilizó aproximadamente en un valor de 5.0. Con respecto al pH del afluente, que era
de 4.45, efectivamente hay un incremento de pH a causa del tratamiento. Esto indica que
posiblemente hay una ligera remoción de sustancias disueltas en el agua, por
mecanismos como la adsorción de iones presentes en el agua por parte de las partículas
del lecho, de tal manera que pueda disminuir un poco su concentración en el efluente. Sin
embargo, esta remoción de sustancias que afectan el pH no es signif icativa en términos
de legislación, ya que en tanto que el agua de consumo debe tener un pH entre 6.5 y 9.0,
el efluente no puede ser consumido directamente.
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
0 5 10 15 20 25 30
pH
Tiempo (min)
IAMB 200920 05 IAMB 200920 27
68
Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
4.2.4 Caudal tratado
A continuación se presentan los resultados del procedimiento de evaluación de caudal
f iltrado, mostrando las variables tenidas en cuenta durante la recolección de datos y el
cálculo de caudal en litros por minuto; ésto para efectos de compararlo con las otras
tecnologías de potabilización en el punto de consumo, y en litros por día, para establecer
la población atendida potencial en caso de emergencia. La primera tabla corresponde a la
recolección de datos realizada el 13 de octubre de 2009, cuando el lecho f iltrante estaba
totalmente nuevo; la segunda tabla corresponde a la toma de datos realizada el 27 de
octubre del mismo año, cuando el f iltro ya había tratado 350 L de agua cruda de diferente
calidad. Para el cálculo del caudal f iltrado, se registró el tiempo transcurrido para llenar
recipientes de 200 ml y 100 ml respectivamente. A mbas pruebas se realizaron con agua
potable del sistema de acueducto de Bogotá.
Tabla 18. Cálculo del caudal del efluente para un lecho nuevo.
Presión (psi) Efluente Filtrado Volumen (L) T iempo Llenado (s) Caudal (L/min) Caudal (L/día)
5 0,2 9,1 1,32 1898,9 7 0,2 8,85 1,36 1952,5 9 0,2 8,5 1,41 2032,9 13 0,2 6,5 1,85 2658,5 15 0,2 5,7 2,11 3031,6 17 0,2 5,6 2,14 3085,7
Tabla 19. Cálculo del caudal del efluente para un lecho con uso previo.
Presión (psi) Efluente Filtrado Volumen (L) T iempo Llenado (s) Caudal (L/min) Caudal (L/día)
6 0,1 21,8 0,28 396,3 9 0,1 18,9 0,32 457,1 11 0,1 16,5 0,36 523,6 14 0,1 14,7 0,41 587,8 15 0,1 14,6 0,41 591,8
En primer lugar, se observa una clara influencia de la presión ejercida por la bomba sobre
el caudal tratado. A mayores presiones de operación, reguladas a partir de la
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manipulación del sistema de bypass, mayores cantidades de agua se ven forzadas a
circular a través de la unidad f iltrante, obteniendo un caudal mayor en el efluente. El
efecto de operar el sistema con una presión de 5 psi o con una presión de 17 psi, que
constituye el límite de operación de la bomba de 0.5 HP para este sistema, es de un
incremento de 0.82 L/min para el lecho nuevo, equivalente a un aumento del 62.5% en el
caudal f iltrado, y de 0.21 L/min equivalentes a un aumento del 50% para el lecho ya
utilizado previamente.
Figura 40. Variación del caudal del efluente para distintas presiones de operación.
Si se analizan los caudales en litros por día que ofrece el sistema con el lecho nuevo, se
observa que para presiones superiores a 5 psi, que es una presión bastante moderada, se
obtienen caudales superiores a 1920 L/día, que constituye el caudal promedio de los
f iltros lentos de arena implementados por ISF-Colombia. Si se asume una dotación neta
de 50 LHD, que constituye la mitad de la dotación neta mínima para poblaciones con
sistemas de acueducto en condiciones normales, según el Reglamento de Agua Potable y
Saneamiento Básico RAS, esto implicar ía que el sistema abastecería a 50 personas,
aproximadamente.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
5 7 9 11 13 15 17
Cau
dal f
iltra
do (L
/h)
Presión (psi)
Lecho nuevo (0 L)
Lecho usado (350 L)
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No obstante, es posible observar el efecto dramático que tiene el uso de la unidad f iltrante
sobre el caudal ofrecido. Tratando únicamente 350 L, el sistema disminuye su rendimiento
en un 80%, si se comparan los caudales obtenidos con una presión de 15 psi para el f iltro
nuevo y para el f iltro que trató previamente este volumen.
Esto implica que las pérdidas de presión a lo largo del lecho f iltrante y por ende, el caudal
f iltrado, constituyen los factores limitantes en la operación del f iltro. Si se toma en
consideración un caudal tratado máximo de 400 L/día, teniendo en cuenta la disminución
progresiva del caudal f iltrado hasta su taponamiento, si se quisiera realizar un
mantenimiento diario (que de hecho es mucho más frecuente que lo que se consideraría
ideal) en el contexto de una emergencia, que consistiría en el lavado de la arena existente
o en el reemplazo de la arena por arena nueva, el sistema podría abastecer a 8 personas
con una dotación neta de 50 L/hab.día.
Sin embargo, esto implica que el uso del sistema sería restringido en el contexto de una
emergencia. Además, se necesitar ían muchos sistemas funcionando paralelamente para
abastecer uno o varios municipios en dif icultades de acceso al agua potable. Por ejemplo,
si se toman como referencia las cifras de afectación de la segunda ola invernal en
Colombia durante septiembre de 2008 (OCHA, 2008), se observa:
Tabla 20. Población afectada durante ola invernal de septiembre de 2008 en Colombia.
Ola invernal en Colombia (Sept. 2008) Personas afectadas 214,982 Municipios afectados 117 Estimación de personas/municipio 1837 Personas abastecidas/sistema 16 Sistemas/municipio 115
Fuente: OCHA, 2008
Tal y como se ve, el sistema actual no podr ía abastecer de ninguna manera a un
municipio afectado en su totalidad por una emergencia de este tipo. Por tanto, una
posibilidad futura sería realizar el escalado del sistema y analizar el comportamiento de
una unidad de mayor tamaño, con el f in de aumentar el caudal producido, manteniendo
los principios de diseño y las ventajas ofrecidas por el sistema, fuese mediante la
operación de unidades f iltrantes del mismo tamaño en paralelo o mediante la construcción
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
y evaluación del sistema con una única unidad f iltrante de mayores dimensiones y un
sistema de bombeo con mayor potencia, por ejemplo.
En las condiciones actuales, en términos de cantidad, el sistema podría emplearse para el
abastecimiento de agua de consumo para eventos de escala puntual, como albergues
temporales para desplazados o en lugares como escuelas pequeñas.
5. CARACTERIZACIÓN DE LA UNIDAD CONSTRUIDA
De acuerdo con el sistema de bombeo empleado para conducir el agua cruda hacia el
interior de la unidad f iltrante, se puede apreciar que el sistema construido tiene bastantes
similitudes, a nivel operativo, con los f iltros de t ierras diatomáceas a presión, expuestos
en la sección 2.2.1. Experimentalmente, pudo observarse que el caudal f iltrado dependía
directamente de la presión aplicada en el proceso; sin embargo, se concluyó que los
parámetros de calidad del efluente no variaban signif icativamente para distintas cabezas
hidráulicas. Este fenómeno se presenta también en los f iltros de tierras diatomáceas
operados a presión, lo cual, adicionalmente permite la construcción de unidades más
compactas.
Pese a esta clara similitud, las propiedades del lecho granular empleado en la unidad
construida, dif ieren radicalmente de las de las tierras diatomáceas. En cuanto al diámetro
de las partículas, el análisis granulométrico realizado a una muestra del lecho arrojó un
tamaño efectivo de 0,21 mm, el cual es aproximadamente cien veces más grande que el
de las t ierras diatomáceas. Por esta razón, las duraciones de corrida, pérdidas de cabeza
y parámetros de calidad obtenidos del prototipo construido, no son comparables con los
de un f iltro de precapa. Sin embargo, si se compara el tamaño efectivo del lecho
empleado con los valores típicos para f iltros lentos de arena (0,25 mm a 0,35 mm), puede
apreciarse que existe una gran similitud entre estos dos sistemas de f iltración.
Las eficiencias de remoción de microorganismos determinadas experimentalmente
durante la etapa de f iltración óptima, concuerdan con aquellas reportadas para los f iltros
lentos de arena. En el primer caso, se obtuvieron eficiencias de remoción del 99,9% para
Coliformes Totales; es decir, una remoción de 3 unidades logar ítmicas. Lo anterior encaja
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perfectamente con los rangos típicos de remoción para un proceso de f iltración lenta con
arena (1 a 3 unidades logar ítmicas para Coliformes Totales).
No obstante, los resultados experimentales demostraron parámetros de operación del
sistema que dif ieren ampliamente de aquellos propios de los f iltros lentos de arena. En
primer lugar, el tiempo de maduración de un f iltro lento oscila entre 1 y 6 meses mientras
se desarrolla la capa biológica en la parte superior del lecho. Para el caso del sistema
construido, se observó un tiempo de maduración de aproximadamente 15 minutos, el cual
concuerda con aquel de los f iltros rápidos arena. De manera similar, se obtuvieron tasas
de f iltración y duraciones de corrida semejantes a aquellas propias de este último tipo de
f iltros. Se registró una tasa de f iltración promedio de 7,4 m3/ m2.h y una duración de
corrida de aproximadamente 8 horas (para condiciones críticas de turbiedad en el
afluente); las tasas de f iltración para f iltros rápidos de arena oscilan entre 5 y 10 m3/ m2.h
y las duraciones de corrida varían de 1 a 4 días.
En la Tabla 21 se presenta un resumen comparativo entre las características del sistema
de tratamiento construido y las de otros métodos comúnmente empleados.
Tabla 21. Similitudes del sistema construido con otras técnicas de tratamiento.
Carac terísticas Filtros Lentos Filtros rápidos Filtros de Precapa (a presión)Modo de operación del sistema X
Diámetro de partícula XRemoción microbiológica X
Duración de corrida XTiempo de maduración XProfundidad del lecho X X
Tasa de filtración XMecanismo de filtración X X
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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• El sistema de f iltración es muy efectivo para la remoción de turbiedad y de
microorganismos, disminuyendo la turbiedad de hasta 800 NTU a menos de 1
NTU, y alcanzando remociones de hasta 99.9% de coliformes totales y E. coli, sin
necesidad de prolongados periodos de maduración como en el caso de los f iltros
lentos de arena.
• Las pruebas realizadas en condiciones críticas de operación muestran que el caudal ofrecido con el lecho f iltrante completamente nuevo es de
aproximadamente 2 L/min, lo cual satisface plenamente los objetivos de caudal del
sistema. Sin embargo, se observó que el caudal disminuye considerablemente con
el uso progresivo del sistema, debido a la saturación gradual de los intersticios del
lecho y a la formación de una torta en la superficie del mismo a causa del
tratamiento.
• Debido al bajo t iempo de maduración requer ido, este sistema podr ía
implementarse satisfactoriamente en el evento de un desastre, estando en
capacidad de producir rápidamente efluentes de buena calidad.
• El sistema de tratamiento construido no puede clasif icarse dentro un tipo
específ ico de f iltración granular. Por el contrario, debe considerarse como un
híbrido de varias tecnologías existentes, ya que comparte características
operativas y de diseño con algunas de ellas.
• La unidad demostró su versatilidad para el tratamiento de agua cruda de distintas fuentes. Debido a su portabilidad y a la f lexibilidad de sus componentes, está en
capacidad de tratar el agua tomada directamente de tanques, ríos, lagos,
embalses, entre otros.
• La accesibilidad a los materiales empleados durante la construcción del prototipo,
permiten que este sistema tenga un alto grado de replicabilidad en situaciones de
emergencia. La presión requerida para el funcionamiento del mismo, puede ser
suministrada por medio de energía eléctrica, motobombas accionadas con
combustible o sistemas de bombeo manual. Sin embargo, se recomienda realizar
análisis más profundos para determinar el desempeño del sistema bajo métodos
de bombeo alternativos.
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
• Este proyecto pretendió sentar las bases para el desarrollo de tecnologías
sostenibles y de fácil operación, que permitan satisfacer las necesidades de agua
de consumo humano durante eventos críticos. Sin embargo, para cumplir con los
objetivos planteados al inicio de este trabajo, es necesario promover
investigaciones más profundas que permitan corregir las debilidades encontradas
a lo largo de su desarrollo. Por tal motivo, se sugiere realizar estudios futuros
empleando, por ejemplo, lechos alternativos, al igual que afluentes de distintas
características.
7. BIBLIOGRAFÍA
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
8. ANEXOS Anexo 1. Plano del Sistema de Filtración Granular a Presión
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Anexo 2. Fotografías de pruebas microbiológicas para lecho con uso previo
Fotografía Siembra Muestra
Eje Ambiental (Dilución 1 en 10)
Coliformes Totales: 6310 UFC
E. coli: 190 UFC/100ml
Efluente f iltrado (0 min)
Coliformes Totales: 220 UFC/100ml
E. coli: 0 UFC/100ml
Efluente f iltrado (5 min)
Coliformes Totales: 110 UFC/100ml
E. coli: 0 UFC/100ml
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Efluente f iltrado (15 min)
Coliformes Totales: 25 UFC/100ml
E. coli: 0 UFC/100ml
Efluente f iltrado (20 min)
Coliformes Totales: 7 UFC/100ml
E. coli: 0 UFC/100ml
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Anexo 3. Fotografías de pruebas microbiológicas para lecho nuevo
Fotografía Siembra Muestra
Eje Ambiental (Dilución 1 en 10)
Coliformes Totales: 2430 UFC/100ml
E. coli: 1810 UFC/100ml
Efluente f iltrado (5 min)
Primer Ciclo
Coliformes Totales: 330 UFC/100ml
E. coli: 230 UFC/100ml
Efluente f iltrado (15 min)
Primer Ciclo
Coliformes Totales: 300 UFC/100ml
E. coli: 220 UFC/100ml
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Construcción y análisis de un Sistema d e Filtración Granular a Presión para ab astecimiento de agu a de consumo humano en situaciones de emergencia
Efluente f iltrado (5 min)
Segundo Ciclo
Coliformes Totales: 150 UFC/100ml E. coli: 90 UFC/100ml
Efluente f iltrado (15 min)
Segundo Ciclo
Coliformes Totales: 140 UFC/100ml
E. coli: 80 UFC/100ml
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