PLANTAS DE TRATAMIENTO DE FILTROS LENTOS

Ing. Lidia Vargas de Cánepa
Asesora en Tratamiento de Agua para Consumo Humano


Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente
División de Salud y Ambiente
Organización Panamericana de la Salud
Oficina Sanitaria Panamericana - Oficina Regional de la
Organización Mundial de la Salud


PLANTAS DE FILTRACION LENTA (PFL)

1. Introducción

2. Descripción de la tecnología

    a. Presedimentador Triangular
        - Descripción
        - Ventajas
        - Restricciones
        - Criterios Básicos
        - Criterios para operación y mantenimiento
   
    b. Sedimentadores
        b.1.Sedimentadores convencionales de forma rectangular y flujo horizontal
            -Descripción
            - Ventajas
            - Restricciones
            - Criterios básicos
            - Criterios de diseño

    c. Prefiltros de grava
        c.1. Prefiltro de flujo horizontal
            - Descripción
            - Ventajas
            - Restricciones
            - Criterios de diseño
            - Criterios de operación y mantenimiento
        c.2. Prefiltro vertical múltiple de flujo descendente
            - Descripción
            - Ventajas
            - Restricciones
            - Criterios de diseño
            - Criterios de operación y mantenimiento
        c.3. Prefiltro vertical de flujo ascendente
            - Descripción
            - Ventajas
            - Restricciones
            - Criterios de diseño
            - Criterios de operación y mantenimiento

    d. Filtro lento
            - Descripción
            - Ventajas
            - Restricciones
            - Criterios de diseño
            - Criterios de operación y mantenimiento

3. Criterios de instalación de la planta

- Ubicación
- Con relación a la comunidad
- Concepción del sistema

4. Criterios para monitoreo y evaluación

5. Criterios para la participación comunitaria

6. Criterios para la gestión

7. Contactos para referencias adicionales

8. Referencias bibliográficas


PLANTAS DE FILTRACION LENTA (PFL)

1. Introducción

Dependiendo de la calidad de la fuente de agua que va a abastecer al sistema de tratamiento, la PFL podría estar constituida sólo por un filtro lento o bien por una serie de procesos previos, cuyo propósito es acondicionar la calidad física del agua cruda para que el filtro lento pueda operar adecuadamente.

Estos procesos son:

a. Presedimentador
b. Sedimentador
c. Prefiltro de grava
d. Filtro lento

La desinfección está sobreentendida en todos los casos.

Cuadro 1.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Descripción de la tecnología

a. Presedimentador triangular

Descripción

Esta unidad tiene la forma de un triángulo isósceles. En el canal de ingreso se considera un vertedero triangular o rectangular para determinar el caudal de ingreso y un aliviadero para que no ingrese un caudal mayor al de diseño. A continuación se un muro de ladrillo hueco para distribuir uniformemente las líneas de flujo en toda la seccion.

El agua ingresa por el vértice y la sección transversal de la unidad se va anchando y profundizando a medida que el agua avanza. En la entrada a la unidad se considera un muro de ladrillo hueco para distribuir uniformemente las líneas de flujo en toda la sección.

La recolección del agua presedimentada se realiza mediante un vertedero ubicado a todo lo ancho de la base del triángulo.

Se considera un canal de desviación para la época de seca en que se saca de operación la unidad para limpiarla. En la parte más profunda del fondo se ubica el sistema de evacuación de lodos.

Ventajas

La forma triangular de la unidad favorece:

La obtención de una distribución muy uniforme del agua en la zona de sedimentación.

Evita la presentación de espacios muertos y cortocircuitos.

Se obtienen velocidades transversales longitudinalmente decrecientes y tasas de recolección muy bajas en el vertedero de salida.

Restricciones

Está indicado para aguas con turbiedades mayores de 1000 NTU.

Debe efectuarse una prueba de sedimentación simple para determinar la eficiencia y verificar la posibilidad de que la turbiedad este esencialmente originada por material coloidal, en cuyo caso esta unidad sería totalmente ineficiente.

Criterios básicos

-Período de retención = 24 horas

-Carga máxima en el vertedero = 1.71 m3/hora/m

Criterios para operación y mantenimiento

Evitar el crecimiento de maleza en los taludes que bordean la unidad.

En caso de desarrollarse algas en la superficie del presedimentador, aplicar sulfato de cobre en dosis menores a 1.0 mg/l.

Practicar la limpieza completa de la unidad, por lo menos, poco antes y después de la época de lluvias.

b. Sedimentadores

La sedimentación es el proceso de separación de un conjunto de partículas que se encuentran en suspensión en un fluído. En este caso, las partículas son discretas, no cambian sus características durante el proceso de sedimentación.

b.1. Sedimentadores convencionales de forma rectangular y flujo horizontal

Descripción

La zona de entrada está constituida por una estructura hidráulica de transición que permite una distribución uniforme del flujo en toda la sección de la unidad. Esta estructura está compuesta de un vertedero rectangular a todo lo ancho de la unidad y una pantalla o cortina perforada.

La zona de sedimentación consta de un canal rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujo adecuadas para que sedimenten las partículas.

La zona de salida está constituida por vertederos, canaletas o tubos con perforaciones que tienen la finalidad de recolectar el efluente, sin perturbar la sedimentación de las partículas depositadas.

La zona de recolección de lodos está constituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados y una tubería y válvulas para su evacuación periódica.

Figura 1. Sedimentador convencional de forma rectangular y flujo horizontal

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Ventajas

- Por su simplicidad, son unidades de operación confiable en el medio rural.

Restricciones

Son adecuadas para remover turbiedades de hasta 1000 UNT, turbiedades mayores crean interferencias en el proceso, disminuyendo la eficiencia. En estos casos se debe incrementar el período de retención o diseñar un presedimentador.

Son eficientes para reducir partículas discretas de tamaño mayor a 0.05 mm.

Criterios básicos

Se debe efectuar una prueba de sedimentación en el laboratorio, para determinar la velocidad de sedimentación óptima para el agua a tratar y la eficiencia que se podría esperar. La prueba deberá efectuarse con la turbiedad más alta con la que se espere que deba operar la unidad.

Criterios de diseño

Establecida la velocidad superficial en el laboratorio, el área de la zona de sedimentación será igual a la relación caudal/velocidad superficial.

Las dimensiones largo (L) y profundidad (H) de la unidad, la velocidad superficial (Vs) y la velocidad horizontal (VH) deben guardar la relación: L/H : VH/Vs.

La relación de las dimensiones largo (L) y ancho (B) de la unidad deben enconcontrarse en él: 2.8< L/B< 6.

La relación entre el largo (L) y la profundidad (B) deben encontrarse entre los límites: 6<L/H<20.

La pantalla o cortina perforada debe encontrarse entre 0.60 a 1.00 m de la pared de entrada.

La velocidad en los orificios de la pantalla no debe ser mayor de 0.10 a 0.15 m/s.

Los orificios más altos deben estar a 1/5 o 1/6 de altura a partir de la superficie del agua y los más bajos entre 1/4 y 1/5 de la altura (H) a partir del límite inferior.

Para evitar arrastre de partículas, se recomiendan velocidades horizontales (VH), menores de 0.55 cm/s.

La tasa de velocidad en el vertedero de salida de la unidad debe ser preferiblemente menor de 1.0 l/s/m.

Se sugiere dar a la unidad una pendiente de 5% a 10%, para facilitar el deslizamiento del sedimento.

Se sugiere considerar un aliviadero para regular el caudal de ingreso, evitando que la unidad opere sobrecargada.

c. Prefiltros de grava

Estas unidades de prefitración en grava o de filtración gruesa, como también se denominan, pueden ser de dos tipos, dependiendo del sentido del flujo horizontal y vertical. Los de flujo vertical pueden ser, a su vez, de dos tipos: descendentes y ascendentes.

c.1. Prefiltro de flujo horizontal

Descripción

Para establecer el caudal de operación de todo el sistema, si ésta es la primera unidad del sistema de tratamiento considerado, deberá anteponerse una caja de concreto con un vertedero triangular.

- La estructura de entrada está constituida por un canal y un muro de ladrillo hueco, cuya función es distribuir uniformemente el caudal en toda la sección.

La zona de filtración está conformada por canales divididos en tres o más tramos llenos de grava de diferentes diámetros, dispuestos en sentido decreciente.

La longitud de los tramos es variable y depende de la calidad del agua, del tamaño de la grava y de la velocidad de filtración.

Las paredes anterior y posterior de cada tramo deberán ser muros de ladrillo hueco, para permitir una distribución uniforme y adecuada del flujo.

Cada tramo debe tener su sistema de limpieza, consistente en una tolva para facilitar el deslizamiento y depósito del sedimento, un canal de evacuación de lodos techado con losas de concreto separadas por ranuras, compuerta y camara de drenaje. Las ranuras o separaciones de las losas del canal se diseñan para obtener una velocidad de descarga que asegure la extracción instantánea de la mayor parte del lodo contenido en la tolva. Las tolvas estarán rellenas con piedra de 2"a 3" de diámetro.

La estructura de salida está constituida por un muro de ladrillo hueco y un canal independiente para cada unidad.

.Figura 2. Prefiltro de grava de flujo horizontal

Ventajas

En general, son más eficientes que los sedimentadores por la gran superficie específica disponible en la grava.

Cuando opera con carreras largas, no sólo remueve partículas inertes, sino también microorganismos.

Las carreras de trabajo se pueden alargar mediante descargas hidráulicas y el lavado de la grava se puede distanciar, por lo menos, hasta que concluya la época de lluvia. Es posible lograr una periodicidad de dos a tres años, dependiendo de la turbiedad máxima del afluente.

Restricciones

Profundidades mayores de 1.5 m y anchos mayores de 5.0 m dificultan la limpieza de la unidad. En general, se recomiendan profundidades no mayores de 1.0 m y anchos máximos de 4.0 m. Estas recomendaciones restringen el uso de estas unidades a caudales pequeños; la otra alternativa es considerar muchas unidades en paralelo.

Turbiedades mayores de 300 UNT demandan unidades de 8 a 16 m de largo.

Criterios de diseño

Velocidades de filtración de 0.50 a 2.0 m/h, variables en razón inversa a la calidad del agua.

Grava de 1/4" a 2", colocada en sentido decreciente. En contacto con los muros perforados se colocará material de diámetro mayor que el de los orificios.

Longitudes de tramos de 1 a 5 m, variables en sentido inverso con el diámetro de la grava.

Tasa de diseño para el sistema de limpieza de 1.3 m3/m2 de área de prefiltro.

La instalación debe proporcionar la carga hidráulica necesaria para compensar las pérdidas de carga por fricción, ocasionadas por la velocidad vertical de vaciado del sistema de limpieza.

Pérdidas de carga de 0.20 a 0.30 m durante el proceso de operación normal.

La grava debe tener de 0.20 a 0.30 m de altura adicional por encima de nivel normal de operación, para evitar cortocircuitos por encima de la superficie de la grava, cuando se haya alcanzado la pérdida de carga máxima.

Criterios de operación y mantenimiento

Limpiar bien la unidad antes del inicio de la temporada de lluvias.

Para efectuar el lavado de la grava, se debe evitar parar la unidad durante la época y practicar descargas hidráulicas frecuentes.

Prodedimiento para ejecutar las descargas hidráulicas:

  1. La carga hidráulica debe ser la indicada en el instructivo de operación, para compensar las pérdidas por fricción que produce esta operación.

  2. Abrir la compuerta en forma instantánea.

  3. Una vez que el agua se ha vaciado completamente, enjuagar la caja de concreto y la grava con agua a presión.

  4. Cerrar la compuerta de drenaje y llenar lentamente la unidad, para evitar resuspender el material depositado en los compartimientos contiguos.

  5. El proceso de llenado después de cada descarga hidráulica debe ser lento, para no levantar el sedimento en los compartimientos contiguos. Este proceso puede llevar varias horas (como los muros divisorios son perforados, el movimiento se transmite).

  6. Según Wegelin, el siguiente criterio permite determinar la frecuencia con la que deben efectuarse las descargas hidráulicas: 1,000 (s . L1 )/((Co – Ce). Vf) , o 10,000 (s L 1 / ((To – Te) . Vf)).

Donde:

s (g/l) = carga promedio del filtro
L 1 (m) =

largo del primer tramo o compartimiento del prefiltro

Co, Ce (mg/l) =

Concentración de solidos en suspensión al inicio y final del primer compartimiento del prefiltro.

To, Te (UT) = turbiedad
Vf (m/h) = velocidad de filtración

- Es necesario disponer de una unidad especial y una superficie para efectuar el lavado manual de la grava.

c.2. Prefiltro vertical múltiple de flujo descendente

Descripción

Esta unidad consta de tres compartimientos operando en serie, con velocidades y tamaños de grava decrecientes entre el primero y el último.

El afluente ingresa a los compartimientos por vertederos ubicados por encima del nivel máximo de operación de la unidad.

Cada compartimiento consta de un tanque de sección rectangular lleno de grava de tamaño uniforme. La tasa de velocidad depende de la calidad del agua y del tamaño de grava seleccionado.

El sistema de drenaje es similar al del prefiltro horizontal.

La estructura de salida de cada compartimiento consta de un canal que se comunica con el compartimiento de la grava a través del sistema de drenaje; de tal manera que el agua percola a través de la grava, pasa por el canal de drenaje y asciende por el canal de salida, hasta alcanzar el vertedero que comunica con el siguiente compartimiento de la unidad .

Prefiltros de grava verticales de flujo descendente
Figura 3. Planta y cortes

 

 

Figura 4. Unidad en funcionamiento

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Figura 5. Unidad recien instalada

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Además de las indicadas en el caso anterior:

Puede tomar un rango de turbiedad mayor que el horizontal y que el vertical ascendente.

La velocidad de descarga durante las limpiezas no afecta a los compartimientos adyacentes, porque cada tanque es independiente. Por consiguiente, el llenado de los compartimientos puede hacerse a un caudal mayor al de diseño de la unidad para acelerar esta operación.

La limpieza completa es más ágil que en los otros casos, porque la altura de la grava en cada compartimiento es de sólo 50 cms. Incluso puede ejecutarse dentro del mismo compartimiento.

Al operar con carreras largas (turbiedades bajas) y buena supervisión, se han detectado eficiencias de remoción de coliformes fecales de 98% con aguas crudas, con un contenido inicial de 3.3 (10)3 (3).

Restricciones

Normalmente se pueden tratar turbiedades medias de 100 a 400 UNT, pudiendo tomar límites máximos de 500 a 600 UNT. Se pueden tratar turbiedades superiores a las 1,000 UNT, con velocidades bajas de filtración, intensificando las descargas hidráulicas y con supervisión constante. En caso contrario, debe consideranse un presedimentador para atenuar la turbiedad afluente a la unidad.

Criterios de diseño

Velocidades de 1.00 a 0.80 m/h para el primer tramo, de 0.80 a 0.60 m/h para el segundo y de 0.60 a 0.40 para el tercero.

Grava de 1"a 2"en el primer tramo, de ¾" a 1" en el segundo y de ¼" a ½" en el tercero.

Los criterios de diseño para el sistema de limpieza son similares a los del prefiltro horizontal.

Criterios de operación y mantenimiento

Iniciar la operación de la unidad lavando la grava mediante descargas sucesivas.

Las descargas intermedias deben ejecutarse cada vez que el efluente de la unidad empieza a sobrepasar el límite máximo aceptable por el filtro lento o la meta de calidad de agua estipulada por la norma, si es la última unidad del sistema de tratamiento.

Procedimiento para ejecutar las descargas hidráulicas:

- para compensar las pérdidas por fricción que produce esta operación, la carga hidráulica debe ser la indicada en el instructivo de operación,

- abrir la compuerta en forma instantánea,

- una vez que el agua se ha vaciado completamente, enjuagar la caja de concreto y la grava con agua a presión,

- cerrar la compuerta de drenaje y llenar la unidad hasta el nivel de operación normal,

- el llenado del primer tramo puede efectuarse abriendo al máximo el ingreso a la unidad. En el caso del segundo y tercer tramo, además del ingreso proveniente del primer tramo, se puede acelerar el llenado utilizando la manguera,

- el lecho nunca debe quedar en seco, a no ser que se haya lavado previamente la grava, porque el material retenido en los lechos filtrantes colmatados se secará y formará una película alrededor de cada grano,

- dada la poca profundidad del lecho filtrante y la independencia de los compartimientos, es factible realizar el lavado de la grava dentro del mismo tanque, sin tener que extraerla. Para esto, será necesario disponer de agua a presión.

c.3. Prefiltro vertical de flujo ascendente

Descripción

En unidades grandes (3.0 a 4.0 m de diámetro), la tubería de agua cruda ingresa por el fondo de la unidad a una caja de distribución. De la caja de distribución parten 12 tubos de f 1"de diámetro con perforaciones de f 6.4 mm y f 12.7 mm, que ingresan a los troncos de cono que conforman el falso fondo de los prefiltros. Este tipo de falso fondo permite una distribución uniforme del flujo en toda el área del prefiltro. Los troncos de cono se llenan de grava de f 19 mm a f 38 mm, (1) y (4) (Ver Figura 3.3.1).

En unidades pequeñas de 1.0 a 1.20 m de diámetro, la tubería ingresa por el eje del prefiltro hasta el fondo de la unidad, desde donde es distribuida uniformemente en toda el área mediante tuberías secundarias perforadas.

En el caso en que la tubería llega a una caja de distribución, de ésta parten tubos de f 1"de diametro con perforaciones de f 6.4 mm y f 12.7 mm, que ingresan a troncos de cono que conforman el falso fondo de los prefiltros. Este tipo de falso fondo permite una distribución uniforme del flujo en toda el área del prefiltro. Los troncos de cono se llenan de grava de f 19 mm a f 38 mm, (1) y (4).

La zona de prefiltración está constituida por dos capas de grava de f 6.4 a f 2.7 mm.y de f 2.4 a f 4.8 mm, de 0.30 m de espesor cada una y una capa de arena gruesa de f 1.4 a f 2.0 mm de altura en la superficie del lecho

.Figura 6. Prefiltro ascendente con drenaje troncocónico

El sistema de recolección de agua tratada está conformado por tuberías de f 4" con orificios de f 12.7 mm.a 0.05 m, centro a centro, que conducen el efluente a una caja de recolección. Este sistema se ubica a 0.40 m sobre la superficie del medio filtrante.

Cuando la planta se inicie con los prefiltros se deberá anteponer una caja de medición de caudal y distribución a las unidades, consistente en un vertedero triangular y dos rectangulares. En el caso de que se proyecten más de dos prefiltros, se diseñará un canal de distribución uniforme a todas las unidades ubicadas en paralelo.

Figura 3.3.2 Prefiltro ascendente con fondo de drenes

 

Figura 8. Vista del sistema instalado

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Figura 9. Vista superior del prefiltro

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        Ventajas

- investigaciones efectuadas con este tipo de unidades operando en serie con filtros lentos sugieren que este conjunto puede remover hasta 5.0 mg/l de fierro total, 0.5 mg/l de manganeso, 750 unidades de algas/ml, 2,000 coliformes fecales/100 ml de muestra y puede tratar aguas hasta con 5.0 mg/l de DBO5.

- la remoción global de microorganismos vivos y partículas es superior a 80%, siempre que no se produzcan variaciones bruscas de la calidad del afluente.

        Restricciones

- turbiedades afluentes no mayores de 100 UNT.

- poca capacidad de asimilación de variaciones repentinas de calidad de agua.

- para la construcción de unidades grandes con drenaje de caja de repartición y troncos de cono, se requiere de mano de obra calificada.

       Criterios de diseño

- tasa o velocidad de filtración de 1.0 a 1.5 m/h
- espesor del lecho filtrante de 1.20 m
- velocidad de descarga de lavado de 1.0 m/min
- velocidad en el canal de evacuación de 1.5 m/s
- la pérdida de carga durante la operación normal es de aprox. 0.20 m.

        Criterios de operación y mantenimiento

- para evitar la compactación de los lodos acumulados y reducir la frecuencia de lavado manual de la grava, las limpiezas hidráulicas se efectuarán cada semana en época de lluvias.

- el lecho de arena y grava tiene un espesor de 1.20 m y la superficie se encuentra a 0.70 m del borde y a 1.90 m la parte más profunda, lo cual hace que la operación de extracción y lavado manual de la grava sea dificultosa y requiera de una buena organización y supervisión para que estén disponibles los recursos necesarios para ejecutar esta operación, sin mezclar la arena y la grava de diferentes tamaños. En el caso de que los materiales se mezclen, se deberá disponer de las mallas correspondientes para clasificarlos nuevamente.

- es importante disponer de una unidad especial para efectuar el lavado de la arena y de la grava y de una superficie de concreto para ejecutar esta operación.

d. Filtro lento

Descripción

Basicamente, un filtro lento consta de un tanque que contiene una capa sobrenadante de agua cruda, lecho filtrante de arena, drenaje y un juego de dispositivos de regulación y control. El filtro lento modificado que recomienda el CEPIS elimina los dispositivos de control vulnerables y tiene las siguientes características:

La estructura de ingreso consiste en una cámara de distribución con vertederos rectangulares para distribuir el caudal uniformemente a todas las unidades del sistema y válvula de limpieza. Si no se han considerado unidades previas para acondicionar la calidad del agua, en esta cámara se incluirá el sistema de ajuste y medición de caudal, consistente en una válvula y un vertedero triangular.

Las cajas de los filtros deberán ser, por lo menos, dos y estarán compuestas de un sistema de drenaje, una capa de grava graduada, una capa de arena, una capa de agua y el borde libre.

La estructura de salida es común a dos unidades y comprende un vertedero de control de nivel máximo de operación, una caja de desagüe, dos cámaras de salida cada una con un vertedero de control de nivel mínimo, una válvula para comunicar la cámara de salida con la de desagüe, una válvula para intercomunicar las cámaras
de salida, una cámara de reunión del efluente y dos válvulas para eliminar el efluente inicial

.Figura 10. Filtro lento modificado

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Figura 11. Vista de un filtro lento

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Figura 12. Estructura de salida

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Figura 13. Estructura de salida

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Ventajas

La mayor ventaja de esta unidad reside en su simplicidad. Este filtro sin controlador de velocidad y con controles de nivel mediante vertederos es muy sencillo y confiable de operar con los recursos disponibles en el medio rural de los países en desarrollo.

Restricciones

El filtro lento solo no debe operar con aguas con turbiedades mayores a 20 ó 30 UNT, esporádicamente se pueden aceptar picos de 50 a 100 UNT.

La eficiencia de esta unidad se reduce a temperaturas inferiores a los 4ºC.

La presencia de biocidas o plaguicidas en el afluente pueden modificar o destruir el proceso microbiológico que sirve de base a la filtración lenta.

Criterios de diseño

El medio filtrante debe estar compuesto por granos de arena duros y redondeados, libres de arcilla y materia orgánica. La arena no debe contener mas de 2% de carbonato de calcio y magnesio. Experimentalmente se ha encontrado que el diámetro efectivo de la arena debe ser del orden de 0.15 a 0.35 mm. La profundidad del lecho puede variar entre 0.50 y 1.00 m, pudiendo el filtro operar con un espesor mínimo de 0.30 m (5). El coeficiente de uniformidad puede ser menor de 3.0, se recomienda un rango de 1.8 a 2.0. En última instancia, cualquier material inerte puede utilizarce como medio filtrante.

La capa soporte debe reunir características similares a las indicadas para la arena. Debe considerarse una altura mínima de 0.30 m de grava dispuesta en tres capas de diferente granulometría. La grava más fina debe seleccionarse, teniendo en cuenta el tamaño de los granos de arena y la más gruesa de acuerdo al tamaño de los orificios del drenaje. El Cuadro 4.1.1 sintetiza las recomendaciones al respecto, indicando para cada capa límites máximos y mínimos para arenas finas y gruesas.

Cuadro 2. Granulometría de la capa soporte

Capas

Diámetros mínimos

(mm)

Diámetros máximos

(mm)

Altura (cms)

1

0.5 - 2.0

1.5 - 4.0

5

2

2.0 - 2.5

4.0 - 15.0

5

3

5.0 - 20.0

10.0 - 40.0

10

El drenaje puede estar conformado por drenes o por ladrillos de construcción. Los tubos de drenaje están compuestos de un dren principal y ramificaciones o drenes laterales. Los drenes laterales se uniran al principal mediante tees o cruces y podrán ser de concreto, de cerámica o de PVC. Los drenes laterales se instalarán dejando juntas abiertas de 2 cms o se perforarán orificios de 2 a 4 mm de diámetro, separados de 0.10 a 0.30 m centro a centro y dispuestos en la parte inferior de los drenes. La separación entre los drenes laterales debe ser de 1/16 de su longitud o como máximo de 2.5 m. Con respecto a la pared, se considerará una separación de 1/32 de su longitud o como máximo de 1.25 m.

- El dimensionamiento de los drenes se efectuará con el criterio de que la velocidad límite en cualquier punto de estos no sobrepase de 0.30 m/s. La relación de velocidades entre el dren principal (Vp) y los drenes secundarios (Vs) debe ser de: Vp/Vs < o = 0.15, para obtener una colección uniforme del agua filtrada. La pérdida de carga producida por los drenes no debe exceder de un 10% de la pérdida de carga del medio filtrante, cuando la arena está limpia y su altura es minima. Puede estimarse mediante la siguiente ecuación:

h = 0.33 l 1/dh .v2/2g

siendo (l ) el coeficiente de friccion de Colebrook, (dh) el diámetro hidráulico y (v) la velocidad del dren, (dh= 4Ad/p). En los drenajes de ladrillo, los bloques que van sobre el fondo de la caja del filtro deben asentarse con mortero y los que techan los canales se colocáran dejando separaciones o aberturas de 2 cms para que pase el agua filtrada. Se deben proyectar, por lo menos, dos unidades funcionando en paralelo, para poblaciones de menos de 2,000 habitantes. En poblaciones mayores se decidirá el número de unidades, teniendo en cuenta el tamaño máximo de 50 m2 para que sea factible completar el mantenimiento en 24 horas.

La velocidad de diseño también es importante al decidir el número de unidades. Con velocidades mayores de 0.30 m/h deberá considerarse un mínimo de tres unidades.

El área de cada unidad (As) es una función de la velocidad de filtración (Vf), del caudal (Q), del número de turnos de operación (C) y del número de unidades (N). As= Q. C/N.Vf. Con operación continua el área de la unidad será igual a As= Q/N. Vf.

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

Cuadro 3. Velocidad de filtración de acuerdo al número de procesos preliminares

Procesos

Vf (m/h)

Filtración lenta (FL)

0.10 - 0.20

Sedimentación (S) o prefiltración (PF) + FL

0.15 - 0.30

S + PF + FL

0.30 - 0.50

La altura del agua sobre el lecho filtrante puede variar entre 1.0 y 1.50 m.

Se interconectaran las unidades a través de la cámara de salida para efectuar el llenado ascendente del filtro.

Cuando se tenga suficiente presión en el afluente al filtro, se podrá implementar la limpieza por el método de "trillado". Para esto, deberá considerarse un ingreso de agua tratada (o por lo menos prefitrada) por el fondo de la unidad, un canal de recolección de agua de limpieza y su correspondiente válvula de evacuación.

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

El nivel mínimo del filtro se controla mediante el vertedero de salida, el cual se debe ubicar en el mismo nivel o 0.10 m. por encima de la superficie del lecho filtrante.

El control de nivel máximo dentro de la caja del filtro se efectúa mediante un vertedero de alivio ubicado sobre las cámara de desagüe.

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

Deberá considerarse una unidad para lavar la arena y un depósito techado para guardar la arena embolsada y las herramientas.

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

Criterios de operación y mantenimiento

Las tareas rutinarias de operación se limitan a ajustes y medición del caudal, monitoreo de la calidad del agua producida, limpieza de la superficie de la arena, lavado y almacenamiento de la arena y la reconstrucción del lecho filtrante.

- La limpieza del lecho filtrante debe iniciarse cuando el nivel del agua en la caja del filtro llega al máximo y el agua empieza a rebosar por el aliviadero.

Para la limpieza de la superficie del lecho filtrante hay dos métodos manuales disponibles, que son aplicables al medio rural: "raspado"y "trillado".

El primero es el método convencional que consiste en retirar una capa superficial de alrededor de 2 cms de espesor, cada vez que la carrera del filtro ha llegado a su fin.

El método de "trillado" normalmente se puede aplicar a cada filtro varias veces al año, en la medida en que sea necesario, cada vez que el filtro alcance su valor límite de pérdida de carga.

El procedimiento original fue desarrollado en la Planta de Tratamiento de West Hartford en filtros grandes, utilizando un tractor que jala una herramienta similar al arado o trilla utilizado en la agricultura. Este método se puede ejecutar manualmente en filtros medianos y pequeños con algunas adaptaciones. El método consta de dos etapas: trillado en húmedo y trillado en seco. Durante la etapa de trillado en húmedo se revuelven de 20 a 30 cms de profundidad de arena mediante una trilla o trinche, mientras el agua fluye sobre la superficie del filtro, llevándose la suciedad acumulada y el sedimento que ha sido desprendido y resuspendido por el trillado. En la segunda etapa se elimina la aplicación de agua, se continúa revolviendo la arena para aflojar la superficie del lecho y se prepara al filtro para entrar en servicio.

En base a experiencias efectuadas en el Alto Mayo (7), ITDG recomienda aplicar el método por separado, dependiendo de la duración de la carrera del filtro. El método de trillado en seco se aplicará cuando la carrera de filtración previa haya sido menor de un mes. Se drena el filtro dejando el agua 15 cms por debajo de superficie de la arena, con un pico se descompacta la superficie de la arena en una profundidad de 15 cms, posteriormente se esponja con un rastrillo y se empareja para dejar la superficie uniforme en todo el filtro y se coloca nuevamente en servicio. El método de trillado en húmedo se aplicará cuando la duración de la carrera previa del filtro haya sido inferior a un mes. Haciendo ingresar el agua en contracorriente, se rastrilla el lecho en toda su profundidad (30 a 40 cms), procediendo por franjas. Se rastrillan unos 15 a 20 cms de profundidad y se retira este material y se coloca sobre la arena del costado. Se continúa rastrillando el material restante hasta llegar a la grava, luego vuelve a su sitio la arena retirada y se repite el procedimiento hasta completar todo el lecho. Esta operación ejecutada por dos personas que se relevan en el rastrillado puede durar aproximadamente dos horas. Se cierra la válvula de ingreso ascencional del agua y a continuación se aplica el método de trillado en húmedo.

Por lo menos, cada cinco años se realizará el lavado completo del filtro. Se retiran con mucho cuidado la arena y la grava para no mezclarlas y se lavan, se cepillan las paredes de la caja del filtro, se reacomoda el drenaje y se vuelve a colocar el lecho de arena y grava. Si ha habido pérdidas de arena y grava será necesario reponerla. Si hay grietas en las paredes o en el fondo, deberán reponerse antes de colocar el lecho filtrante.

3. Criterios de instalación

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

Ubicación

Escoger la zona de mejor acceso, con vías de comunicación que faciliten su posterior construcción, operación y mantenimiento.

El agua subterránea debe estar ausente o muy profunda.

La zona debe ser segura y no estar expuesta a riesgos naturales o humanos.

De preferencia, la topografia de la zona seleccionada debe reunir los desniveles necesarios para que el sistema pueda operar totalmente por gravedad.

Con relación a la comunidad

Efectuar estudios sociológicos para determinar costumbres y creencias que puedan afectar la aceptación del sistema.

Comprobar la información demográfica disponible.

Determinar recursos humanos y materiales disponibles para adecuar el diseño del sistema.

Estudiar la incidencia de enfermedades de origen hídrico y presencia de vectores.

Concepción del sistema

- Para que la operación del sistema sea confiable debe evitarse el uso de dispositivos para elevar el nivel del agua. De esta manera, la operación del sistema no dependerá de suministros eléctricos y repuestos sofisticados que normalmente no están localmente disponibles e incrementan el costo de mantenimiento del sistema.

- Si tuviera que elevarse el nivel del agua por razones topográficas, se debería efectuar una sola etapa de bombeo, elevando el agua cruda hasta un nivel, desde el cual pueda distribuirse por gravedad al reservorio y a la red. Este sistema es menos vulnerable que el de dos etapas. Deberá considerarse en primer lugar la alternativa de implementar bombas manuales y, en última opción, la utilizacion de bombas operadas mecánicamente. Este tipo de bombas sólo deberán considerarse en casos especiales, en los que se pueda garantizar la disponibilidad de fuentes de energía confiable y una infraestructura para el mantenimiento de las bombas.

- Preferentemente, el filtro lento debe operar en forma continua, esto permite unidades más pequeñas y abastecimiento continuo de nutrientes y oxígeno necesarios para mantener la capa biológica. Para garantizar esta situación, cuando se tenga una etapa de bombeo, es recomendable construir un tanque de almacenamiento de agua cruda para abastecer por gravedad la planta durante las 24 horas.

4. Criterios para monitoreo y evaluación

La turbiedad y la contaminación bacteriológica del agua son los principales parámetros para la caracterización del agua superficial en las áreas rurales.

Cuando el tratamiento es combinado: prefiltro o sedimentador + filtro lento, el objetivo específico de las primeras unidades es reducir turbiedad y el del filtro lento reducir contaminación. Cuando sólo hay una unidad, ésta debe cumplir los dos objetivos.

Un programa de monitoreo mínimo para controlar una PFL debería considerar la toma de muestras de agua cruda y tratada para constatar la calidad de la materia prima que está ingresando al sistema y la del producto final obtenido.

Las mediciones de turbiedad son simples y las puede efectuar un operador bien adiestrado. Las mediciones diarias durante la época de lluvias, permiten evaluar:

a) La calidad del agua cruda.

b) Establecer y supervisar el rendimiento de la planta.

c) Desarrollar criterios para adecuar la operación de la planta.

d) Optimizar las características de las unidades.

5. Criterios para participación comunitaria

6. Criterios para gestión

7. Contactos para referencias adicionales

Ing. Lidia Cánepa de Vargas
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente - CEPIS/OPS
Los Pinos 259, Urb. Camacho - La Molina
Tel. (51-1) 437-1077
Fax (51-1) 437-8289
e-mail: lvargas@cepis.ops-oms.org
Internet: www.cepis.ops-oms.org

8. Referencias bibliográficas

HUISMAN, L. & WOOD, W.E.; OMS (Ginebra, CH). Slow sand filtration. Ginebra (CH), OMS, 1974.

AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (Denver, US). Research Foundation. Manual of design for slow sand filtration. Denver (US), AWWA, 1991.

CEPIS (Lima, PE). Plantas modulares de tratamiento de agua. En: CEPIS documentos técnicos No. 8. Lima, CEPIS, 1982. (Actualizado en 1990).

PÉREZ CARRIÓN, José; CÁNEPA DE VARGAS, Lidia; CEPIS (Lima, PE). Proyecto de Desarrollo Tecnológico de las Instituciones de Abastecimiento de Agua Potable y Alcantarillado. Guía para diseño de plantas de filtración lenta para el medio rural. En: Manual DTIAPA, C-3. Lima (PE), CEPIS-DTIAPA, 1984.

CÁNEPA DE VARGAS, Lidia; CEPIS (Lima, PE). Proyecto de Desarrollo Tecnológico de las Instituciones de Abastecimiento de Agua Potable y Alcantarillado. Filtros de arena en acueductos rurales; investigación No. 3. Lima (PE), CEPIS-DTIAPA, 1982.

CEPIS (Lima, PE). Programa Regional HEP/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Serie filtración lenta; Manual II: Teoría y Evaluación; Manual III: Diseño. Lima (PE), CEPIS, 1992.

DI BERNARDO, Luiz. Seminario Nacional sobre Prefiltración y Filtración Lenta de las Aguas de Abastecimiento. Sao Paulo (BR), Escola de Engenharia de Sao Carlos, 1991.

ALLEND, R.B. A method of cleaning slow sand filters developed at the West Hartford, CT water treatment plant. AWWA Slow Sand Filtration Workshop. Durham (US), University of New Hampshire, 1991.

WEGELIN, M. DelAgua Ltda. (Lima, PE). Centro Internacional de Referencia para Disposición de Residuos (Dübendorf, CH). Filtración gruesa de flujo horizontal; manual de diseño, construcción y operación. Lima (PE), CEPIS, 1988.


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