FILTROS INTERMITENTES DE AGREGADOS MIXTOS

Los filtros intermitentes de arena (FIA) tienen un lecho de filtración de 24 pulgadas de profundidad con un medio de tamaño cuidadosamente seleccionado. La arena es el medio más comúnmente usado, pero la antracita, residuos de minería, ceniza de fondo de incineradores, etcétera, también han sido usados. La superficie del lecho se dosifica en forma intermitente con efluente, el cual se percola en un paso simple hasta el fondo del filtro a través de la arena. Después de ser recolectado en el desagüe inferior, el efluente tratado es conducido a una tubería para tratamiento adicional o para su disposición. Los dos componentes básicos del sistema de FIA son una unidad (o unidades) de tratamiento primario (un tanque séptico u otro método de sedimentación) y el filtro de arena.

La Figura 1 muestra un esquema de un FIA típico.

FIGURA 1 SECCIÓN TRANSVERSAL DE
UN FILTRO INTERMITENTE
DE ARENA


Los FIA remueven contaminantes del agua residual mediante procesos de tratamiento físicos, químicos y biológicos. Si bien los procesos fisicoquímicos juegan un papel importante en la remoción de muchas partículas, los procesos biológicos desempeñan el papel más significativo en los filtros de arena. Los FIA generalmente se construyen debajo del nivel del terreno, en excavaciones de 3 a 4 pies de profundidad que están recubiertas por una membrana impermeable, en donde esto sea requerido. El desagüe está rodeado por una capa de grava de tamaño seleccionado y roca triturada cuyo extremo aguas arriba es ventilado y sobresale a la superficie. Sobre la capa de grava y roca se coloca grava de grano (de tamaño de arveja), y encima de esta se deposita la capa de arena. A continuación se coloca otra capa de grava de tamaño seleccionado en donde se encuentran las tuberías de distribución. Una válvula de lavado se encuentra en el extremo de cada tubería lateral de distribución. Una tela de filtro de baja densidad de coloca sobre la capa final de roca, la cual evita que los limos se entremezclen con la arena al mismo tiempo que permite el paso del agua y el aire. La capa superior del filtro se rellena finalmente con arena gredosa que puede contener vegetación herbácea. Para viviendas individuales normalmente se diseñan FIA enterrados.


Algunos de los tipos más comunes de esos filtros se describen a continuación:

FIA de descarga por gravedad

Los filtros intermitentes de arena de descarga por gravedad normalmente se usan en el costado de colinas, para lo cual se ubica el eje longitudinal en forma perpendicular a la pendiente para reducir a un mínimo la necesidad de excavación. Debido a que el efluente pasa a través del filtro por gravedad, la elevación del fondo del filtro debe ser varios pies más alta que la del campo de infiltración. Para obtener el diferencial de elevación, el filtro de arena puede ser parcialmente construido sobre el nivel del terreno.

FIA de descarga por bombeo

Los filtros intermitentes de arena de descarga por bombeo se emplazan normalmente en terrenos planos. Su ubicación en relación con el campo de infiltración no es crítica debido a que una bomba ubicada dentro del lecho del filtro permite que el efluente sea bombeado a cualquier elevación o localización. Las tuberías de descarga no van a través del revestimiento del filtro de arena sino encima del mismo para proteger su integridad.
FIA sin fondo


Los filtros intermitentes de arena sin fondo no tienen el revestimiento impermeable, y no descargan a un campo de infiltración sino directamente al suelo debajo del medio de arena.

La Tabla 1 muestra los valores típicos de diseño para los FIA. Estos valores están basados en experiencias previas y prácticas actuales, y no son necesariamente los valores óptimos para una aplicación dada.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Algunas de las ventajas y desventajas de los filtros FIA son las siguientes:

Ventajas

• Los FIA producen un efluente de alta calidad que puede ser usado para irrigación por goteo, o puede ser descargado a aguas superficiales después de ser desinfectado.
• Los campos de drenaje pueden ser pequeños y poco profundos.
• Los FIA tienen requisitos moderados de energía.
• Los FIA son fácilmente accesibles para el monitoreo y no requieren personal calificado para su operación.
• No requieren compuestos químicos.
• Si la arena no está disponible, se puede reemplazar con otros medios de filtrado aceptables, los cuales pueden estar disponibles localmente.
• Los costos de construcción de los FIA son moderadamente bajos, y el trabajo es casi todo manual.
• La capacidad de tratamiento puede aumentarse usando un diseño modular.
• Los FIA pueden ser instalados para que se incorporen visualmente al paisaje.

Desventajas

• Los requisitos de área pueden ser una limitación.
• Se requiere un mantenimiento rutinario (si bien es mínimo).
• Se pueden presentar problemas de olores como resultado de las configuraciones de filtro abiertas, y se pueden requerir zonas de separación con áreas habitadas.
• Si un medio adecuado de filtración no está disponible localmente, los costos pueden ser altos.
• La obstrucción del medio filtrante es posible.
• La operación de los FIA puede ser sensible a temperaturas extremadamente frías.
• Los FIA pueden requerir un permiso federal de descarga de efluentes a aguas superficiales.

DESEMPEÑO

Los filtros de arena producen un efluente de alta calidad con concentraciones típicas iguales o menores a 5 mg/L de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y los sólidos suspendidos, así como una nitrificación igual o mayor al 80% del amoníaco aplicado. La remoción del fósforo es limitada, pero se pueden lograr reducciones significativas de bacterias coniformes fecales. El desempeño de un FIA depende del tipo y la biodegradabilidad del agua residual, los factores medioambientales dentro del filtro, y las características de diseño del filtro. Los factores medioambientales más importantes que determinan la efectividad del tratamiento son la reaireación del medio y la temperatura. La temperatura afecta directamente la tasa decrecimiento microbiano, y otros factores que contribuyen a la estabilización del agua residual dentro del FIA. El desempeño del filtro es normalmente mejor en áreas en donde el clima es cálido en comparación con las de clima frío. A continuación se describen varios parámetros de diseño del proceso que afectan la operación y el desempeño de los FIA.

Nivel de pretratamiento

Un tanque séptico hermético y de tamaño y estructura adecuada, asegura el que se cuente con un pretratamiento adecuado del agua residual típica de origen doméstico.


Tamaño del medio


La efectividad del material granular como medio filtrante depende del tamaño, la uniformidad y la composición de los granos. El tamaño del medio granular se correlaciona con el área superficial disponible para el desarrollo de microorganismos que dan tratamiento al agua residual. Por esta razón, el tamaño del medio afecta la calidad del efluente filtrado.
Profundidad del medio

La profundidad adecuada de la arena debe ser mantenida para que la zona capilar no interfiera con la zona superior requerida para el tratamiento.
Tasa de carga hidráulica

En general, entre más alta sea la carga hidráulica, la calidad del efluente para un medio determinado tiende a desmejorarse. Las tasas hidráulicas altas se usan generalmente en filtros con un medio de mayor tamaño, o en sistemas que reciben agua residual de mejor calidad.
Carga contaminante

La aplicación de material orgánico al lecho del filtro es un factor que afecta el desempeño de los FIA. La carga hidráulica debe ajustarse para acomodar las varias cargas contaminantes que pueden esperarse en el agua residual a ser aplicada. Como en el caso de la carga hidráulica, el incremento en la tasa de carga contaminante reduce la calidad del efluente.
Técnicas de dosificación y frecuencia

Es esencial que el sistema de dosificación proporcione una distribución uniforme (en tiempo y volumen) del agua residual a lo largo del filtro. El sistema debe también permitir un tiempo suficiente entre las dosis para permitir la reaireación del espacio de los poros. Una dosificación confiable se logra con el uso de sistemas de distribución de tubería múltiple con dosificación a presión.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
Los requisitos diarios de operación y mantenimiento(O/M) de sistemas de filtro de mayor tamaño generalmente son mínimos cuando los FIA han sido dimensionados adecuadamente. Los filtros de arena enterrados que son utilizados para aplicaciones residenciales pueden tener buen rendimiento durante largos periodos. Las tareas de O/M principales requieren un tiempo mínimo e incluyen el monitoreo del afluente y el efluente, la inspección del equipo de dosificación, el mantenimiento de la superficie del filtro, el chequeo de la carga de paso en los orificios, y la limpieza anual de la tubería múltiple de distribución mediante el paso de agua. Además, las bombas deben ser instaladas con acoples de desconexión rápida para su remoción fácil. El tanque séptico debe ser revisado para determinar la acumulación de nata y lodos, y debe ser bombeado según sea necesario. En temperaturas extremadamente frías se deben tomar precauciones para prevenirla congelación del sistema de filtrado mediante el uso de cobertores removibles. La Tabla 2 enumera las tareas de O/M de un sistema FIA.

APLICABILIDAD

Una evaluación de los sistemas de FIA llevada a cabo en 1985 por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos señaló que los filtros de arena son una alternativa mecánicamente simple y de bajo costo. Más recientemente, los sistemas de filtros de arena han dado servicio a urbanizaciones, lotes de casas móviles, escuelas rurales, pequeñas comunidades y otras entidades que generan caudales reducidos de agua residual. Los filtros de arena son una adición o alternativa viable a los sistemas convencionales cuando las condiciones del terreno no son favorables para el tratamiento y disposición adecuados del agua residual mediante los lechos o las zanjas de percolación. Los filtros de arena pueden ser usados en terrenos que tienen una cubierta desuelo que sea delgada o de permeabilidad inadecuada, el nivel freático sea elevado, o la disponibilidad de área sea limitada.

Placer Country, California

En Placer Country, California, debido a la popularidad de las casas campestres ubicadas a elevaciones entre 100 y 4,000 pies, durante los últimos 20 años los terrenos han tenido que ser desarrollados con sistemas de tratamiento en el punto de generación de los residuos. Placer Country se extiende a lo largo de la vertiente occidental de las montañas de la Sierra Nevada, desde Lake Tahoe hasta el pie de monte, y dentro del Great Central Valley. Áreas extensas de la municipalidad tienen suelos de calidad marginal, suelos de poca profundidad y nivel freático elevado. En 1990, se inició un programa para permitir el uso experimental de sistemas FIA de tipo Oregon para evaluar su desempeño y otros factores relacionados. Los sistemas de FIA utilizados en este estudio tenían los siguientes componentes: un tanque séptico convencional seguido por una caja separada de bombas; una estructura de madera prensada triplex, con un revestimiento de 30 mm de PVC, para el filtro y sus aditamentos; arena tamizada y pre-lavada de 24 pulgadas de profundidad; dos capas de grava, una de recubrimiento en la cual se encontraba la tubería presurizada múltiple para distribución al lecho del filtro del efluente proveniente del tanque séptico, y otra capa de base; y una tubería múltiple de desagüe para la recolección del agua residual. Las dimensiones de los filtros (para viviendas de tres o cuatro habitaciones) eran de 19 pies por 19 pies, con un valor de diseño de la tasa de carga de 1.13 galones/pie2/día. En la Tabla 3, a continuación, se resumen los resultados durante periodos de clima cálido y frío para 30 sistemas de FIA que daban servicio a viviendas unifamiliares.

Los resultados del estudio indicaron que los sistemas FIA mejoraban notablemente la calidad del efluente con relación a los tanques sépticos. Si bien los sistemas tuvieron un buen desempeño, el nitrógeno y las bacterias no fueron eliminados completamente; esto indica que los filtros sólo deben ser usados en donde sean adecuados el tipo de suelo y la separación del agua subterránea. Otras conclusiones del estudio incluían las siguientes: que el involucrar a las partes interesadas desde el comienzo era crítico para el éxito del programa; que el mantenimiento efectivo de los sistemas era esencial; y que durante el periodo de aprendizaje de los usuarios, se cometían errores que afectan adversamente el desempeño del sistema.

Boone County, Missouri
Un sistema de FIA de dosificación presurizada fue instalado en el terreno de una vivienda sistema fue instalado en octubre de 1995 y su desempeño fue monitoreado por 15 meses.

El filtro de arena utilizado en este estudio produjo, consistentemente, un efluente de alta calidad con niveles reducidos de DBO, sólidos suspendidos y nitrógeno amoniacal (NH4-N). La Tabla 4 enumera los varios parámetros evaluados. El medio aeróbico en el filtro de arena era evidente por la tasa de conversión de NH4-N a nitratos (NO3-N), lo cual se logró sin tener problemas de olores. Los valores de coliformes fecales se redujeron en cuatro órdenes de magnitud, en forma consistente. El uso promedio de electricidad de este sistema fue de 9.4 kW-hora por mes, y el costo de operar las dos bombas del sistema fue menor de 70 centavos por mes. La alta calidad del efluente producido por el filtro de arena también redujo el tamaño requerido del área de absorción.

COSTO


El costo de un sistema FIA depende del trabajo laboral, los materiales, la ubicación, la capacidad del sistema y las características del agua residual. Los principales factores que determinan el costo de construcción son el terreno y el medio de filtración, los cuales son muy específicos para cada localidad. La Tabla 5 es un ejemplo de una estimación de costo para una vivienda unifamiliar. Los costos de energía eléctrica están asociados principalmente con el bombeo del agua residual al filtro. Los costos de electricidad típicos son de 2 a 5 centavos por día. Como consecuencia, el costo de la electricidad de los filtros de arena es menor al de la mayoría de los procesos de tratamiento de aguas residuales utilizados por pequeñas comunidades, con excepción del uso de lagunas.

SISTEMA DE DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR

Con el crecimiento de la población mundial la demanda de agua dulce ha aumentado, si sumamos a esto el crecimiento industrial, el tratamiento de aguas y efluentes se ha transformado en algo importantísimo para el desarrollo de esta sociedad. Es por esta razón que se ha declarado al agua como un recurso escaso, de acuerdo a la ubicación y recursos económicos de los distintos países, estos adoptan distintas técnicas de tratamientos de efluentes y aguas. Por ejemplo, en países donde la energía es barata, se opta por tratamientos como la evaporación de aguas salobres, en otros países ricos en aguas subterráneas salobres, se opta por el tratamiento de osmosis inversa.

Método de Evaporación ó Destilación de Agua con Energía Solar

Este método se basa en el calentamiento del agua hasta llevarlo a su temperatura de evaporación (100 °C), empleando los rayos solares, seguidamente se condensa el vapor de agua, obteniendo de esta manera separar el liquido de las sustancias disueltas en este como observamos en la figura 1. Este sistema en gran escala, es empleado en países como Israel se estima que aproximadamente de un día de sol se puede obtener aproximadamente medio litro de agua dulce en un destilador solar casero.

Figura 1. (Destilador solar casero)

Método de osmosis inversa

Con el desarrollo de la tecnología actual, se han creado nuevas alternativas para el tratamiento de aguas y efluentes, esta alternativa es la osmosis inversa la cual a tenido un desarrollo masivo en el campo de la desalación de aguas salobres, sobre todo en el campo industrial, reemplazando o complementando a los métodos anteriores, ya que es un método no excluyente de los otros. Y en algunos países se ha transformado en la única opción factible.

Principio de la Osmosis Inversa

La Osmosis Inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semi-permeable. Su nombre proviene de "osmosis", el fenómeno natural por el cual se proveen de agua las células vegetales y animales para mantener la vida.
En el caso de la Osmosis, el solvente (no el soluto) pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más concentrada, a través de una membrana semi-permeable. Entre ambas soluciones existe una diferencia de energía, originada en la diferencia de concentraciones (figura 2.(a)). El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar el equilibrio (figura 2. (b)). Si se agrega a la solución más concentrada, energía en forma de presión, el flujo de solvente se detendrá cuando la presión aplicada sea igual a la presión Osmótica Aparente entre las 2 soluciones. Esta presión Osmótica Aparente es una medida de la diferencia de energía potencial entre ambas soluciones (figura 3). Si se aplica una presión mayor a la solución más concentrada, el solvente comenzará a fluir en el sentido inverso. Se trata de la Osmosis Inversa (figura 2 (c)). El flujo de solvente es una función de la presión aplicada, de la presión osmótica aparente y del área de la membrana presurizada.

(a) (b) (c)

Figura 2. (Proceso de la osmosis)

Figura 3.

Componentes de un Sistema de Osmosis Inversa



Los componentes básicos de una instalación típica de osmosis inversa consisten en:

1. Un tubo de presión conteniendo la membrana, aunque normalmente se utilizan varios de estos tubos, ordenados en serie o paralelo.


2. Una bomba suministra en forma continua el fluido a tratar a los tubos de presión, y, además, es la encargada en la práctica de suministrar la presión necesaria para producir el proceso.


3. Una válvula reguladora en la corriente de concentrado, es la encargada de controlar la misma dentro de los elementos (se denominan así a las membranas convenientemente dispuestas).

Figura 4.

Hoy en día, hay 3 configuraciones posibles de la membrana: el elemento tubular, el elemento espiral y el elemento de fibras huecas. Más del 60% de los sistemas instalados en el mundo trabajan con elementos en espiral debido a 2 ventajas apreciables:

• Buena relación área de membrana/volumen del elemento.


• Diseño que le permite ser usado sin dificultades de operación en la mayoría de las aplicaciones, ya que admite un fluido con una turbiedad más de 3 veces mayor que los elementos de fibra hueca.


• Se logra una filtracion salina de entre 96.5-99.8%
  

Este elemento fue desarrollado a mediados de la década del 60. En la actualidad estos elementos se fabrican con membranas de acetato de celulosa o poliamidas y con distinto grados de rechazo y producción.

Figura 5. (Membrana circular)

Figura 6. (Sistema Industrial)

Este sistema ha evolucionado hasta llegar a tamaños que permiten ser portátiles para campamentos o unidades móviles, yates y de uso para el hogar operando con el mismo principio y favorecidos con el tamaño que se puede lograr con la membrana circular. La única diferencia que existe con las industriales, es que las de uso domestico se les añade un conjunto de filtros que permiten potabilizar el agua para el consumo humano con elementos de carbón activado, luz UV, entre otros, adicionalmente se le coloca un pre-filtro de sedimentos de aproximadamente 5 micras, que evita que se obstruya la membrana y afecte su funcionamiento. En viviendas donde la presión del agua no es suficiente para pasar por la membrana, se le adiciona al sistema una bomba.

Figura 7. (Sistema para el hogar)

Metodo de las Curvas Isoyetas

El hombre a lo largo de su historia evolutiva ha enfrentado grandes desafíos, siendo el principal la naturaleza del medio que lo rodea. Como prioridad a las inundaciones producto de altas precipitaciones, lo lleva al desarrollo de infraestructuras hidráulicas para su supervivencia en las zonas donde habita. Los precursores más destacados de estas obras son los romanos con sus sistemas de drenajes, otros lo usaron a su favor, entre ellos los Incas.

Cada generación ha ido mejorando y perfeccionando las técnicas mediante estudios y análisis, surgiendo la Meteorología como la ciencia que se encarga de estudiar las variaciones de la atmósfera y de los fenómenos que en ella ocurren como las lluvias, vientos, nubes, relámpagos, entre otros.
A través de ésta se ha basado parte del desarrollo de las obras civiles, desarrollando equipos que le permiten conocer las precipitaciones en determinada áreas como son entre ellos los pluviómetros. (Fig. 1).

Fig. 1

En la actualidad para poder desarrollar cualquier obra de drenaje, se debe considerar la precipitación media de la zona donde se va a desarrollar ésta; contemplando todas las cuencas que desahoguen en dicha área.

Para esto se han desarrollado varios métodos de cálculo, entre ellos, los más importantes son:

1. Promedio Aritmético.
2. Polígono de Thiessen.
3. Red de Puntos.
4. Curvas Isoyetas.


De los anteriores, el de mayor precisión es el Método de las Curvas Isoyetas, pero es subjetivo y dependiente del criterio del hidrólogo que la estudia, de acuerdo al conocimiento que este tenga de las características de la lluvia en la región estudiada. De allí permitirá incorporar los mecanismos físicos que explican la variabilidad de la lluvia dentro de la cuenca. Este método consiste en trazar curvas (Curvas Isoyetas) de igual precipitación a partir de los datos puntuales reportados por las estaciones meteorológicas para un periodo elegido (Fig.2). Los intervalos de profundidad de precipitación (decenas, medias centenas, centenas, etc. de milímetros) y de incremento de tiempo (1 hora, 6 horas, 12 horas, 1 día, 1 mes, 6 meses, 1 año, etc.) se toman de acuerdo a la necesidad del problema.

Fig. 2

El proceso constructivo a seguirse es el siguiente:

• Sobre el plano de la cuenca, elaborado a escala conveniente, se replantean las estaciones entre sí, en triangulación, cuidando que las líneas no se intercepten y dando prioridad a las más cercanas.

• Con los datos de precipitación correspondiente a cada estación se interpola linealmente con las estaciones enlazadas, con la finalidad de encontrar los puntos de igual precipitación. (Fig. 3)

Fig. 3

• Empleando líneas curvas suaves y continuas unimos los puntos anteriormente interpolados. Hasta el momento se ha seguido una metodología semejante a la empleada en las curvas de nivel topográficas.

• Ayudados por la topografía de la cuenca y las rosas de los vientos respectivas, se corrigen las curvas isoyetas dándoles la forma correcta de acuerdo al relieve y a la orientación de los frentes de lluvia. Por lo general las curvas se verán forzadas a moverse del punto interpolado. (Fig. 4).
  

Fig. 4

• La expresión a utilizarse, para determinar la precipitación media de la cuenca (Pm), es la siguiente:
  

Donde:
Pi = Precipitación promedio entre dos curvas isoyetas consecutivas.
Ai = Área delimitada por las dos curvas isoyetas.
At = Área total considerada.

Para trazar las isoyetas, como ya se citó anteriormente, se recomienda superponer la cuenca a un mapa de curvas de nivel, para tener en cuenta el efecto de la topografía que da origen a una distribución aparentemente caprichosa de la precipitación, pues de otra manera los resultados obtenidos no se diferencian mayormente de los obtenidos por el Métodos de los Polígonos de Thiessen. Debe evitarse recurrir únicamente a interpolaciones lineales, sobre todo cuando se trabaja en zonas montañosas.

Autor: Carlos Maldonado

Materia: Instalaciones Sanitarias.
Profesor: Francisco Farias.