Los filtros lentos de arena eliminan los agentes patógenos y sólidos suspendidos del agua con diferentes niveles de turbiedad (o “turbidez”) utilizando arena fina como medio de filtración. Estos filtros se utilizan como último paso del tratamiento y suelen implementarse en las fases de estabilización y recuperación de una emergencia.

Los filtros lentos de arena se componen de un tanque que contiene el medio filtrante y un soporte de grava en el fondo; un tubo de drenaje para recolectar el agua filtrada; un control de caudal; y un sistema de drenaje de filtro. Tienen una capacidad inigualable para reducir, en gran medida, los agentes patógenos del agua mediante una combinación de procesos físicos y microbiológicos naturales dentro del lecho filtrante (como la sedimentación, el tamizado, la adsorción, la adhesión, la competencia por el alimento y la depredación). Por este motivo, los filtros lentos de arena pueden considerarse uno de los métodos disponibles de tratamiento de un solo paso más eficaces y pueden utilizarse en todas las escalas, desde grandes plantas de tratamiento hasta domicilios particulares.

Consideraciones de diseño

Para una filtración lenta en arena, se recomienda que la turbiedad del agua cruda sea de hasta 10 NTU, con picos ocasionales de hasta 50 NTU. Para casos de mayor turbiedad, es necesario llevar a cabo un tratamiento previo, como la filtración de desbaste T.1 o sedimentación (asistida) T.4 . Los filtros lentos de arena pueden reducir la turbiedad a menos de 1 NTU, así como la presencia de organismos patógenos (más de un 95 % de reducción de bacterias y virus y más de un 99 % de reducción de Giardia y Cryptosporidium). Este tipo de filtros mejoran el color y el sabor al tiempo que reducen las sustancias tóxicas orgánicas e inorgánicas en, al menos, un 50 % (por ejemplo, toxinas de cianobacterias, mercurio, hidrocarburos poliaromáticos, hierro, manganeso, cromo, cadmio y arsénico). La eficacia de estos filtros depende del tamaño de la arena, la profundidad del lecho de arena, la temperatura y la dureza del agua (mayor eliminación de turbiedad con agua más dura). El tamaño de la arena es un parámetro de diseño crítico, con una granulometría efectiva que oscila entre 0,15 y 0,35 mm (mayor eficacia con granos más pequeños) y un coeficiente de uniformidad de entre 1,5 y 3 (lo que significa que no es ni demasiado uniforme ni demasiado diversa). Cuando el tamaño de la arena es correcto, los sólidos se filtran solo en los centímetros superiores, pero cuando la arena es más gruesa, los sólidos penetrarán más profundamente, de modo que los procedimientos de mantenimiento no restablecerán adecuadamente el caudal. Los filtros lentos de arena deben mantenerse saturados porque sirven de hábitat a los organismos responsables del proceso de filtración biológica. Esta comunidad microbiana diversa (conocida como " Schmutzdecke") se forma durante las primeras semanas o meses de funcionamiento, según la calidad del agua cruda. En los filtros de mayor tamaño, en los que el agua fluye las 24 horas para aportar oxígeno y alimento a la capa biológica, la profundidad de la arena varía entre 0,6 y 1,2 m, mientras que la altura del agua por encima del lecho filtrante suele estar entre 1,0 y 1,5 m (los filtros domésticos de bioarena [H. 5] tienen un nivel de agua diferente). La velocidad de filtración debe ser lenta, entre 0,1 y 0,4 m/h (compactación de m3/m2/hora), para apoyar la actividad biológica y permitir un tiempo de contacto adecuado para otros procesos físicos. Un sistema de sumidero permite la salida del agua limpia, por encima de la cual varias capas de grava graduada impiden que la arena salga del filtro al tiempo que mejoran la velocidad del caudal. El caudal es siempre descendente y está impulsado por la gravedad, y disminuirá con el tiempo a medida que el filtro se obstruya. En los filtros de mayor tamaño, el caudal constante suele conseguirse controlando el agua que sale del filtro mediante válvulas o controles de flotador que explican el aumento de la resistencia dentro del lecho filtrante. El filtro debe estar diseñado de manera que el agua entrante no perturbe el Schmutzdecke. Una vez que el caudal se reduce por debajo del necesario, es necesaria una limpieza.

Materiales

Los materiales incluyen los compartimentos del filtro, el sistema de entrada y salida de agua con mecanismo de control, el sistema de sumidero, los medios filtrantes y el equipo para lavar y almacenar la arena.

Aplicabilidad

Los filtros lentos de arena no son adecuados para la respuesta inmediata, ya que la actividad biológica tarda en madurar dentro del filtro. Pueden considerarse para las fases de estabilización y recuperación como parte de un proceso de tratamiento más amplio cuando se dispone de tiempo para el diseño y la construcción de la planta. Los filtros domésticos de bioarena [H. 5] también podrían considerarse en la fase de recuperación (inicialmente como proyecto piloto para determinar su aceptación) para el tratamiento sostenible continuo del agua para poblaciones dispersas. En climas fríos puede ser necesario tomar medidas especiales para evitar la congelación. El rendimiento de los procesos biológicos también se reduce en climas fríos. En climas cálidos, algunos tipos de algas pueden proliferar en la superficie de los filtros abiertos y provocar atascos. Esto a veces significa que los filtros deben estar cubiertos, aunque algunos tipos de crecimiento de algas combinados con la exposición a la luz ultravioleta en filtros abiertos podrían favorecer los procesos biológicos. (se ha comprobado que colocar geotextil sobre la superficie de arena acelera la limpieza). Los restos pueden lavarse y almacenarse. Solo se añade arena adicional cuando el lecho filtrante alcanza una profundidad mínima (0,6 m), lo que ocurre cada pocos años. Dado que los microorganismos tardan al menos unos días en recuperarse (y más tras la sustitución de la arena), lo normal es instalar varias unidades de filtrado en paralelo para poder seguir tratando el agua mientras se realiza el mantenimiento.

Operación y mantenimiento

Las principales tareas de O&M están relacionadas con el mantenimiento general de la planta, el control del caudal y la limpieza manual. La limpieza se realiza vaciando el filtro para que el nivel del agua esté unos 10 cm por debajo de la superficie de la arena antes de raspar manualmente la capa superior. Cuanto más rápido sea el proceso de limpieza, más rápido será el periodo de remaduración (se ha comprobado que colocar geotextil sobre la superficie de arena acelera la limpieza). Los restos pueden lavarse y almacenarse. Solo se añade arena adicional cuando el lecho filtrante alcanza una profundidad mínima (0,6 m), lo que ocurre cada pocos años. Dado que los microorganismos tardan al menos unos días en recuperarse (y más tras la sustitución de la arena), lo normal es instalar varias unidades de filtrado en paralelo para poder seguir tratando el agua mientras se realiza el mantenimiento.

Salud y seguridad

La filtración lenta de arena se considera un paso final del tratamiento y puede utilizarse como proceso de tratamiento de un solo paso para el agua potable, según la calidad del agua cruda. La eficacia de la eliminación de patógenos depende del diseño del filtro y de las condiciones de funcionamiento. No obstante, en caso de emergencia crítica, el protocolo estándar consiste en desinfectar siempre el agua mediante cloración T.6 para proporcionar una protección residual.

Costos

Los costos iniciales del filtro varían en torno a los USD 100/m³/día de capacidad (similar a los filtros de arena rápidos, T.2 ).
Los costos corrientes de O&M son de unos USD 3/m³/día de capacidad, que son menores a los de los filtros de arena rápidos, ya que los intervalos entre las tareas de mantenimiento son más largos. Los filtros lentos de arena requieren grandes superficies, a menudo hasta 10 veces mayores que los filtros de arena rápidos y más de 50 veces mayores que los sistemas de membrana como la microfiltración T.3 o la ultrafiltración T.10 . El precio y la disponibilidad del terreno influirán considerablemente en los costos iniciales.

Consideraciones medioambientales y sociales

Los filtros lentos de arena tienen muy buena aceptación. Como se sabe que se puede extraer agua limpia de agujeros excavados junto a un río sucio, el concepto de filtración por arena se entiende fácilmente. Los filtros lentos de arena no cambian ni mejoran el sabor del agua.