uso de filtros para uso domiciliario

8/18/2019 Uso de Filtros Para Uso Domiciliario

1/7

44

INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIII, No. 1, 2002

Leonardo Ramírez Medina, L icenciado en Construcción Civi l, Pr ofesor de H idrául ica, Acueducto y Alcantari ll ado, Centr o Pol itécnico de la Construcción Pedro Téllez Valdés, Pi nar del Río

e-mail: [email protected] .edu.cu Noel S. Pérez Duarte, I ngeniero H idrául ico, Jefe del Departamento de Higiene Comunal , Un idad Mun icipal de Higiene y

Epidemiología, Pinar del Río email : [email protected] .sld.cu

Uso de filtros lentos para el tratamiento

de agua a nivel domiciliario

Octubre del 2000

INTRODUCCIÓNEl abastecimiento de agua para el consumo humano

es una de las medidas más relevantes destinadas a evitarla propagación de enfermedades, si se tiene en cuentaque el 80 % de todas las enfermedades y más del 33 %de las muertes en los países en desarrollo estánrelacionadas con la falta de agua en calidad y cantidadadecuadas.1

Se estima que en el país alrededor del 40 % de loshogares recibe agua no desinfectada o no desinfectadaadecuadamente, lo que resulta en una calidadmicrobiológicamente peligrosa, siendo esta la mayor causade enfermedad y muerte.2

La implementación de tecnologías apropiadas para lapurificación del agua, constituye una práctica usual hoydía en los países en desarrollo, entre las cuales se

encuentra la filtración del agua a través de dispositivoscon medios porosos que permiten obtener un agua efluentecon buena calidad físico-química y bacteriológica.

Según la literatura consultada3 en la prácticainternacional se conocen dos tipos de filtros a gravedad:el filtro rápido y el filtro lento. También es usual,internacionalmente el empleo de la arena como mediofiltrante, aunque en algunas plantas se utiliza antracitafinamente picada, como material de filtro (tabla 1).

Los filtros lentos de arena son los tipos de filtros másviejos que se usaron para el abastecimiento público deagua potable, siendo construidos por primera vez en elaño 1829 por J ames Simpson para la compañía de aguaChelsea de Londres.

Se han estado aplicando desde entonces en países envías de desarrollo, sin embargo, por su eficiencia en laremoción de gérmenes patógenos que son resistentes ala acción bactericida del cloro, como desinfectante másgeneralizado, han motivado que se despierte nuevamenteel interés por el uso de los mismos en países desarrollados.

Resumen / Abstract La implementación de tecnologías apropiadas para la purificación

del agua constituye una práctica usual hoy día en los países en

vías de desarrollo, entre las cuales se encuentran los filtros lentos

de arena para el tratamiento del agua a nivel domiciliario y local.

En el presente trabajo se evalúa un prototipo de filtro lento de

arena con una velocidad de filtración de 0,2 m/h y un caudal de

0,87 L/min. En el mismo se observó que la incorrecta limpieza y

desinfección de la arena utilizada como medio filtrante y las

características de calidad del agua cruda empleada, deben haber

influido en la eficiencia de remoción, fundamentalmente al inicio

de la explotación del filtro. Sin embargo, se observó un incremento

en la eficiencia de remoción del color y los coliformes totales y

fecales a 56,2 %, 84,3 % y 59,1 % respectivamente después del

período de maduración del filtro. Finalmente se recomienda eluso de estos filtros para el área rural donde no existe sistema

comunitario de agua potable, necesitándose establecer un sistema

de desinfección con cloro para el efluente.

Palabras clave: filtros lentos de arena

The implementation of appropriate technologies for the purification

of water, such as slow sand filtration, is nowadays being usedvery often at housing and local level in many developing countries. In the present paper, a kind of slow sand filter with a filtration

velocity of 0,2 m/h and a flow of 0,87 L/min is evaluated. Theinadequate clean and disinfection of the sand used as a filtering material and the characteristics of the raw water had a great

influence on the removal efficiency, mainly at the beginning of theexperiment. However, the colour, total and faecal coliforms removalefficiencies increased up to 56,2 %, 84,3 % and 59,1 % respectively

after the maturation period of the filter. Finally, the use of these filters for the rural area where there is not a community drinkingwater supply system is recommended, nevertheless a disinfection

system with chlorine has to be applied for the effluent. Key words: such as slow sand filtration


2/7

45

Tabla 1Criterios de diseño y operación de los filtros lentos y rápidos de arena7

Aspectos Filtros lentos Filtros rápidos

Velocidad de filtración 0,1 a 0,2 a 0,4 m/h 4 a 5 a 21 m/h

Tamaño del filtro Grande, 2 000 m2 Pequeño, 40 a 400 m2

Profundidad del lecho 30 cm de grava, 90 a 110 cmde arena normalmentereducida a no menos de 50 cma 80 cm por el raspado

30 a 45 cm de grava, 60 a70 cm de arena, no reducidapor el lavado.

Tamaño de la arena Diámetro efectivo de 0,25 a0,30 mm y coeficiente deuniformidad de 2 a 2,5 a 3

Diámetros efectivos de0,55 mm y superiores,coeficiente de uniformidadde 1,5 y menores,

dependiendo del sistema dedrenaje.

Distribución del tamañodel grano de la arenaen el filtro

No estratificado. Estratificado con los granosmás pequeños y menospesados en la cima y losmás gruesos y pesados enel fondo

Pérdidas de carga 6 cm al inicio a 120 cm al final 30 cm al inicio a 240 ó275 cm al final

Duración de la corrida

entre limpiezas

20 a 30 a 60 d 12 a 24 a 72 h

Penetración de lamateria orgánica

Superficial Profunda especialmente enmedios filtrantes mixtos

Método de limpieza Quitando la capa superficial dearena mediante raspado ylavado y almacenando laarena limpia para restablecerlanuevamente

Desalojando y removiendola materia suspendidamediante flujo ascendente oretrolavado, lo cual fluídiza ellecho. Posible uso de unsistema auxiliar de limpieza.

Cantidad de agua

usada en la limpiezade la arena

0,2 a 0,6 % del agua filtrada 0,1 a 4 a 6 % del agua

filtrada

Tratamientopreparatorio del agua

Generalmente ninguno cuandola turbiedad del agua cruda esmenor de 50 NTU

Coagulación-floculación ysedimentación

Tratamiento adicional. Cloración. Cloración.

Costo de construcción. Relativamente bajo. Relativamente alto.

Costo de operación Relativamente bajo cuando selimpia la arena en el lugar.

Relativamente alto.

Costo de depreciación. Reltivamente bajo. Relativamente alto.


3/7

46

Tabla 2Análisis granulométrico de la arena

Tamaño del tamiz(mm)

Masa retenida(g)

Masa retenidaacumulada

(g)

Masa retenidaacumulada

(%)

Masa quepasa(%)

9,52 0 0 0 100

4,76 14,10 14,10 5 95

2,00 22,50 36,60 13 87

0,84 45,04 81,64 29 71

0,42 73,18 154,82 55 45

0,25 81,64 236,46 84 16

0,105 40,54 277,00 98,4 1,6

0,074 4,50 281,50 100 0

Total 281,5

Fuente: Resultados del muestreoLos resultados son: d 10 =0,190 mm, d60 = 0,575 mm, CU= 3,02.

Los rasgos generales de la construcción y operaciónde estos filtros aparecen en la tabla 1 con el objetivo deque los mismos puedan ser comparados.

La remoción completa asociada a procesos de filtraciónse lleva a cabo por la combinación de fenómenos

diferentes, de los cuales los más importantes son: lafiltración mecánica, sedimentación, adsorción, actividadbioquímica y actividad bacteriológica.4

La experiencia internacional4-6 expresa que en el llamadoproceso de filtración lenta, el agua con una velocidad decirculación relativamente baja, es obligada a atravesar unacapa de arena en la que se han desarrollado condicionesfavorables para una acción biológica. Esta acción actúa amedida que se desarrolla, en torno a las partículas dearena, colonias de organismos microscópicos y algunasbacterias del agua. En su metabolismo estos organismosremueven las impurezas orgánicas y las bacteriaspatógenas, y oxidan compuestos nitrogenados; el ciclodel nitrógeno se completa hasta la fase de mineralización

total de la materia orgánica. El desarrollo de estosorganismos responsables de la acción biológica seconcreta casi exclusivamente a la superficie de la capade arena, y alcanza, como máximo una profundidad de2 a 3 cm formándose una película biológica.

En dicha zona se desarrollan formaciones gelatinosasconocidas como schmutzdecke , que confieren a la capade arena el poder de retener impurezas finas, comomaterias coloidales, suspensiones finas y bacterias. Laacción biológica se hace verdaderamente efectiva cuandola película alcanza su pleno desenvolvimiento, que, en unfiltro nuevo tarda cierto tiempo llamado pe ríod o d e maduración del filtro.

Con el tiempo, los intersticios de la capa superficial la arena se van obstruyendo, y se hace necesaria renovación para limpieza mediante el raspado de la cade arena sucia que está encima hasta una profundidaque varía de uno a varios centímetros.

El material fundamental lo constituyó un filtro de areconstruido, el cual fue ubicado convenientemente en área donde está enclavada la planta potabilizadora de Agdel acueducto Kilo 5, sito en el km 5 de la carretera a LuLazo, en Pinar del Río, con el objetivo de poder contcon el agua de la fuente de abasto (Presa Guamá) dacueducto anteriormente mencionado y poder ademácomparar los resultados de calidad del agua a la salidel filtro lento con los obtenidos a la salida de la planta

Para la construcción del filtro se utilizó un tanqucilíndrico de 0,58 m de diámetro y 0,86 m de altura c

una capacidad de 55 galones, al cual se le colocó en parte inferior una plancha perforada que sirve como sopodel lecho filtrante. A continuación, y en orden ascendentse colocó una capa de grava gruesa de 0,05 m de espesocon un diámetro aproximado de 19 mm, una capa de gravide 0,03 m de espesor y una capa de arena de 0,55 m.

Al tanque se le colocó en su parte inferior una tubede hierro galvanizado (HoGo) de 13 mm de diámetro qsirve para recoger el agua filtrada, cuya salida queda 0,m por encima. La arena utilizada como medio filtranprocede del río Paso Viejo y el análisis granulométrarrojó los resultados que se dan en la tabla 2.

MATERIALES Y MÉTODOS


4/7

47

Antes de colocarla en el tanque se procedió a eliminarlos caracoles, plantas acuáticas y otra materia orgánica,así como los granos de tamaño significativo que pudieranalterar el proceso de filtración.

En general, el filtro fue sometido a un período de

maduración antes de comenzar el muestreo, y el gastofue ajustado teniendo en cuenta una velocidad de filtraciónde 0,2 m/h, siendo el mismo de 0,87 L/min.

Se realizaron muestreos de agua a la entrada (aguacruda) y a la salida (agua tratada) tanto del filtro lentocomo de la Planta Potabilizadora de Kilo 5.

Los análisis de laboratorio efectuados a las mismas sehicieron según las técnicas recomendadas en los métodosestándares.8 Ellos son: color, turbiedad, pH, coliformestotales y coliformes fecales.

Los muestreos se efectuaron durante seis meses y alos resultados de los análisis físico-químicos se les calculó

la media aritmética (X) y el coeficiente de variación (CV),mientras que a los resultados de los bacteriológicos seles calculó la media geométrica.

Para el análisis de calidad del agua se tuvieron encuenta las Normas Cubanas de Calidad de Aguareferidas.9,10 Además se realizó una evaluación de laeficiencia del filtro.

En la tabla 3 se reflejan representadas algunascaracterísticas físico-químicas y bacteriológicas del aguacruda resultante del muestreo realizado durante elexperimento y características recomendadas por las

normas para agua potable.Los resultados mostrados en la tabla anterior indican

que el agua cruda utilizada en la investigación como fuentees un agua de excelente calidad,9 incluso con valores depH, turbiedad y color típicos de un agua potable. Sólo lasconcentraciones de coliformes totales y fecales muestranla necesidad de algún tipo de tratamiento, pudiendo ser

una simple desinfección con cloro. Sin embargo, tomandoen consideración que se trata de un agua superficial,proveniente de la Presa Guamá, y que hemos realizado lainvestigación en un período de seca, donde lasfluctuaciones en la calidad del agua no varían

significativamente, es lógico que tanto los niveles de colorcomo de turbiedad y otras características del agua difierande las representadas anteriormente.

También puede observarse que los coliformes fecalesrepresentan el 26,2 % de los coliformes totales, siendoeste valor significativo como para sugerir un tratamientoconvencional.

Por otra parte, la segura presencia de compuestos denitrógeno por la existencia de materia orgánicabiodegradable, y la posibilidad de encontrar en el aguaotros compuestos, como hierro y manganeso en formasoluble, cuando las condiciones de operación en la obrade captación así lo favorezca, hacen que el uso de lafiltración sea otro método factible de tener en cuenta parapurificar esta agua.

Eficiencia del filtro lento de arena en la remoción decontaminantes

Los resultados de los análisis efectuados al aguacruda y al agua tratada tanto para el filtro lento comopara la planta potabilizadora de Kilo 5 se relacionan enla tabla 4. En la misma se puede observar como el pHse mantuvo bastante estable, disminuyendo ligeramentedespués de la filtración en el caso del efluente de laplanta potabilizadora. Sin embargo, no ocurrió así para

el filtro lento, el cual se mantuvo con el mismo valorpromedio.Se debe destacar que aunque no se determinó la

concentración del ion amonio en el agua cruda, es deesperar la presencia de este, lo cual implica que sedesarrolle la nitrificación y por tanto la disminución delpH, al aportar iones hidrógeno al agua según la literaturaconsultada.6

Tabla 3Características fisicoquímicas y bacteriológicas del agua cruda y

concentraciones deseables por las normas de agua potable

ParámetrosResultados de lainvestigación Norma Cubana OMS

Color (mg Pt/L) 13,3 15,0 15,0

Turbiedad (UT) 2,4 10,0 5,0

PH 6,9 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5

Coliformes totales/100 mL 42 < 2,0 ó 0 0

Coliformes fecales/100 mL 11,0 0

Fuente: Resultados del muestreo y normas.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS


5/7

48

No obstante, el bajo contenido de turbiedad, es decirde materia en suspensión (que incluye la materia orgánica),así como la insuficiente limpieza del medio filtrante puedehaber influido en tales resultados, ya que según se observóal inicio de la corrida se obtuvieron valores de pH en el

efluente superiores a los de la entrada.En cuanto al color se puede decir que también al iniciodel funcionamiento del filtro se observaron valores en elefluente superiores a la entrada, así como con una granvariación, lo que debe haber influido en la poca estabilidadde este parámetro. La turbiedad fue extremadamente bajapara un agua cruda de origen superficial y de lascaracterísticas de la utilizada.

En general, durante la primera etapa de muestreo queduró aproximadamente veinte días, se observaronvariaciones en los diferentes parámetros apreciándose apartir de este período una mayor estabilidad, así comotambién se pudo apreciar la formación de una capagelatinosa en la superficie del lecho, lo que demostró que

se estaba en presencia de la maduración del filtro, y apartir de este momento se incrementó la eficiencia delproceso de oxidación biológica de la materia orgánica.

En la tabla 5 se representan las eficiencias de remoción,tanto para el filtro lento como para la planta potabilizadora.

En esta tabla puede observarse como la eficiencia deremoción de color en el filtro lento fue de un 56,2 %,superior a la alcanzada en la planta potabilizadora que

fue del 43,6 %. Durante el desarrollo de la investigacipudo observarse que al comienzo la eficiencia de remocidel color fue mucho más baja, incrementándose despuédel período de maduración.

Debemos significar que en las bajas eficiencias al inic

de la corrida incidió directamente la insuficiente limpiede forma tal que se eliminara toda la materia orgánictanto de origen vegetal como animal, incluyendo fitoplancton y el zooplancton existente.

En cuanto a la turbiedad, se considera que el hecho contar con valores extremadamente pequeños para uagua cruda de origen superficial hace que la remoción sbastante baja, es decir, sólo un 16,7 % tanto para el filtlento como para la planta.

La remoción de coliformes totales y fecales alcanvalores de 84,3 % y 59,1 % comparados con los obtenidoen la planta potabilizadora, siendo también superiores

los obtenidos en el período de maduración.Debe significarse que las eficiencias alcanzadas, enplanta están asociadas no sólo al filtro rápido allí instaladsino a la desinfección con cloro que se verifica en misma, ya que al inicio del experimento hubo muy bajaeficiencias en la planta debido a fallas en la desinfeccidel agua.

Tabla 4Resultados de los análisis del agua cruda y agua tratada

Parámetros

Agua cruda Agua tratada (filtro) Agua tratada (planta)

Rango X CV Rango X CV Rango X CV

Color (mg Pt/L) 10-20 13,3 0,26 5-20 10 0,66 5-10 7,5 0,37

Turbiedad (UT) 2-4 2,4 0,30 2-3 2,2 0,20 - 2,0 0,0

pH 6,7-7,0 6,9 0,02 6,5-7,0 6,9 0,03 6,45-6,95 6,7 0,03

Coliformestotales/100 mL

21-49 42 - 3-49 13 - 2-33 5 -

CF/100 mL 4-17 11 - 3-33 8 - 2-13 4 -

Tabla 5Eficiencias de remoción del filtro lento de arena y de la planta potabilizadora

Parámetros Agua crudaEfluentedel filtro

Eficiencia(%)

Efluente dela planta Eficiencia

Color (mg Pt/L) 13,3 5,8 56,2 7,5 43,6

Turbiedad (UT) 2,4 2,0 16,7 2,0 16,7

CT/100 mL 42 6,6 84,3 5,0 88,1

CF/100 mL 11 4,5 59,1 4,0 63,7


6/7

49

En resumen, se puede decir que además del uso deeste filtro lento, el establecimiento de una desinfeccióncon cloro a la salida del mismo es una medida importantepara garantizar un agua segura para el consumo humano,para lo cual pudieran utilizarse los métodos descritos en

la literatura consultada.6,7,9

Potencialidades de uso del filtro lento de arena Teniendo en cuenta un gasto Q =0,87 L/min y una

dotación para área rural de 40 lppd, así como que el filtrosea operado de forma continua en dos turnos de 8 h cadauno, por los propios vecinos a los que va a servir, esposible calcular la cantidad de viviendas y, o habitantesque se beneficiarían por el uso del mismo.

El número de viviendas servidas por el filtro asciende a4,2, cada una con 5 habitantes, lo que arroja un total de21 habitantes servidos por este filtro.

Si se cuenta con un pequeño asentamiento rural deunas 40 viviendas (200 habitantes), con una batería de

10 filtros es posible garantizar un servicio adecuado deagua de bebida. Adicionalmente, para que esta agua seaconsiderada agua segura desde el punto de vistamicrobiológico, sería necesario llevar a cabo la desinfeccióna nivel casero mediante el uso de soluciones de cloro quese distribuirían en el asentamiento o se adaptaría acontinuación de los filtros un tanque de contacto dondese garantice esta desinfección.

Tanto el uso de los filtros como la desinfecciónconllevaría a capacitar un personal seleccionado por lapropia comunidad, así como llevar a cabo un programa deeducación sanitaria a la población vecina. Específicamentepara la operación de los filtros es necesario establecer unregistro de control que recoja, entre otros aspectos, los

siguientes:• Fecha de limpieza.• Día y hora del restablecimiento del sistema.• Pérdidas de carga.• Calidad del agua cruda y filtrada (turbiedad, color y

NMP de coliformes totales y fecales).• Incidencias (desarrollo del plancton, problemas con

la capa biológica schmutzdecke , etcétera).En general, estos filtros pudieran extender su uso no

sólo a estos asentamientos, sino también a campamentosdel Plan Turquino, cooperativas, etcétera.

1. El uso de los filtros lentos de arena puede ser una

alternativa factible de aplicar en las zonas rurales que nocuentan con un suministro comunitario de agua,fundamentalmente para purificar aguas de origensuperficial de baja turbiedad.

2. A pesar de que el agua cruda utilizada en lainvestigación como fuente puede considerarse deexcelente calidad, según los resultados debido a suprocedencia y período en que se realizó el muestreo, eslógico esperar variaciones significativas en su calidad.

3. La insuficiente limpieza y desinfección de la arenautilizada influyó en la extensión del período de maduracióndel filtro y en la eficiencia de remoción obtenida al iniciodel experimento. En este sentido, el tiempo de maduración

de 20 d puede reducirse y las eficiencias en remoción decolor y coliformes aumentar.

4. Los bajos niveles de turbiedad del agua crudaempleada hacen que sea imposible obtener un efluentede mayor calidad.

5. La formación progresiva de la capa biológicaschmutzdecke , en la medida que el filtro se maduró, hizoque la eficiencia de remoción de color, coliformes totalesy fecales se elevaran a 56,2 %, 84,3 % y 59,1 %respectivamente, siendo estos valores aceptables.

6. La existencia de coliformes totales y fecales y elporcentaje elevado que representan estos últimos de losprimeros, hacen que sea necesario establecer un sistemade desinfección con cloro para garantizar un agua segura.

7. Con el filtro lento de arena, con una velocidad defiltración de 0,2 m/h y un caudal de 0,87 L/min es posibledar servicio a unas 4 familias del área rural, a razón de40 lppd.

1. Proponer el uso de los filtros lentos de arena paragrupos de viviendas aisladas en zonas rurales,

campamentos del Plan Turquino, cooperativas, etc., queno cuenten con un sistema comunitario de agua potable,debido a la alta eficiencia y economía brindada por estetipo de filtro con respecto a una planta de potabilizaciónconvencional.

2. Extender el período de prueba de este filtro de formatal que se evalúe durante el período de lluvia o con otrasfuentes de peores características, en cuanto a turbiedad,color y coliformes para conocer la eficiencia de los mismoscon mayor exactitud.

3. Establecer la desinfección con cloro a la salida delfiltro lento para garantizar la producción de un agua segurapara el consumo humano.

1."AIDIS. La crisis mundial del agua-Conferencia de Río".Ingenie ría Sanitaria , 45(4)/46(1 y 2):15, 1991/1992.

2. OPS. "Ponderación de los riesgos microbiológicos contralos riesgos de los subproductos de la desinfecciónquímica", Ingenie ría Sanitaria , 49(1) :35 y 36, 1995.

3. HUISMAN, L.: Rapid Filtration. Lecture Notes InternationalCourse in Sanitary Engineering, IHE, Delft, 1986.

4. _____ : Slow Sand Filtration. Lecture Notes. InternationalCourse in Sanitary Engineering, IHE, Delft, 1986.

5. STEEL, E.W.:Abastecimiento de agua y alcantarillado .Gustavo Gili, 2da. ed, Barcelona, 1958.

6. PÉREZ, N.S. Y J . DE ARMAS: Tecnologías aprop iadas en agua. Técnicas de tratamiento y desinfección de

agua para consumo humano, Ideal Alambrec SA,UNAICC/CIGC, Ecuador, 1997:28-34.7. SCHULZ, CH.R. AND D. A. OKUN: Surface Water

Treatmen t for Communities in Developing Countries .Great Britain, 146-151, 1992.

8. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 15 ed. APHA/AWWA/WPCF, 1976.

9. NC 93-11-86.Fuentes de abastecimiento de agua. Calidad y Protección Sanitaria. Ciudad de La Habana, 1986.

10. NC:93-02:85. Higiene Comunal. Agua Potab le .Requisi tos Sanitarios y Muestreos. Ciudad de LaHabana, 1985.

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

OCTUB RE DEL 2000

REFERENCIAS


7/7

uso de filtros para uso domiciliario

Documents