Filtro de arena lento

Los filtros de arena lentos se utilizan en la purificación de agua para tratar el agua cruda y obtener agua potable . Suelen tener una profundidad de 1 a 2 metros (3,3 a 6,6 pies) , pueden ser rectangulares o cilíndricos en sección transversal y se utilizan principalmente para tratar aguas superficiales. La longitud y el ancho de los tanques se determinan según el caudal deseado para los filtros, que generalmente tienen una capacidad de carga de 200 a 400 litros (0,20 a 0,40 m³ ⁾ por metro cuadrado por hora.   

Los filtros de arena lentos se diferencian de otros filtros utilizados para tratar el agua potable en que funcionan mediante una biopelícula compleja que crece de forma natural en la superficie de la arena. La arena en sí no realiza ninguna función de filtración, sino que simplemente actúa como sustrato, a diferencia de los filtros utilizados en tratamientos ultravioleta y presurizados. Si bien suelen ser la tecnología preferida en muchos países en desarrollo debido a su bajo consumo energético y su excelente rendimiento, también se utilizan para tratar el agua en algunos países desarrollados, como el Reino Unido , donde se emplean para el agua que se suministra a Londres . Actualmente, también se están probando filtros de arena lentos para el control de patógenos en soluciones nutritivas de sistemas hidropónicos.

El primer uso documentado de filtros de arena para purificar el suministro de agua data de 1804, cuando el propietario de una fábrica de blanqueo en Paisley, Escocia , John Gibb, instaló un filtro experimental creado por el ingeniero Robert Thom , vendiendo su excedente no deseado al público. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Este método fue perfeccionado en las dos décadas siguientes por ingenieros que trabajaban para compañías privadas de agua, y culminó en el primer suministro público de agua tratada del mundo, instalado por el ingeniero James Simpson para la Chelsea Waterworks Company en Londres en 1829. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Esta instalación proporcionó agua filtrada a todos los residentes de la zona, y el diseño de la red fue ampliamente copiado en todo el Reino Unido en las décadas siguientes.

La práctica del tratamiento del agua pronto se generalizó, y las virtudes del sistema quedaron claramente demostradas tras las investigaciones del médico John Snow durante el brote de cólera de Broad Street en 1854. Snow se mostraba escéptico ante la teoría del miasma, entonces dominante, que afirmaba que las enfermedades eran causadas por "malos aires" nocivos. Aunque la teoría microbiana de las enfermedades aún no se había desarrollado, las observaciones de Snow lo llevaron a descartar la teoría predominante. Su ensayo de 1855, Sobre el modo de transmisión del cólera, demostró de forma concluyente el papel del suministro de agua en la propagación de la epidemia de cólera en Soho , ^{[ 5 ]} mediante el uso de un mapa de distribución de puntos y pruebas estadísticas para ilustrar la conexión entre la calidad de la fuente de agua y los casos de cólera. Sus datos convencieron al ayuntamiento de desactivar la bomba de agua, lo que puso fin rápidamente al brote.

La Ley de Aguas de la Metrópolis introdujo la regulación de las compañías de suministro de agua en Londres , incluyendo por primera vez estándares mínimos de calidad del agua. La Ley "estableció disposiciones para asegurar el suministro a la Metrópolis de agua pura y saludable" y exigió que toda el agua fuera "filtrada eficazmente" a partir del 31 de diciembre de 1855. ^{[ 6 ]} A esto le siguió una legislación para la inspección obligatoria de la calidad del agua, incluyendo análisis químicos completos, en 1858. Esta legislación sentó un precedente mundial para intervenciones estatales de salud pública similares en toda Europa . La Comisión Metropolitana de Alcantarillado se formó al mismo tiempo, la filtración de agua se adoptó en todo el país y se establecieron nuevas tomas de agua en el Támesis aguas arriba de la esclusa de Teddington .

El tratamiento de agua llegó a Estados Unidos en 1872, cuando Poughkeepsie, Nueva York , inauguró la primera planta de filtración lenta de arena, ^{[ 7 ]} reduciendo drásticamente los casos de cólera y fiebre tifoidea que habían afectado gravemente a la comunidad local. Los criterios de diseño de Poughkeepsie se utilizaron en todo el país como modelo para otros municipios. La planta de tratamiento original de Poughkeepsie funcionó de forma continua durante 87 años antes de ser reemplazada en 1959. ^{[ 8 ]}

Los filtros de arena lentos funcionan mediante la formación de una capa gelatinosa (o biopelícula ) llamada capa hipogea o Schmutzdecke en los primeros milímetros de la capa de arena fina. La Schmutzdecke se forma en los primeros 10-20 días de funcionamiento ^{[ 9 ]} y está compuesta por bacterias , hongos , protozoos , rotíferos y una variedad de larvas de insectos acuáticos. A medida que la biopelícula epigea envejece, tienden a desarrollarse más algas y pueden aparecer organismos acuáticos de mayor tamaño, como algunos briozoos , caracoles y anélidos . La biopelícula superficial es la capa que proporciona la purificación efectiva en el tratamiento del agua potable, y la arena subyacente proporciona el medio de soporte para esta capa de tratamiento biológico. A medida que el agua pasa a través de la capa hipogea, las partículas de materia extraña quedan atrapadas en la matriz mucilaginosa y el material orgánico soluble se adsorbe . Los contaminantes son metabolizados por las bacterias, los hongos y los protozoos. El agua producida por un filtro de arena lento ejemplar es de excelente calidad, con una reducción del recuento de células bacterianas del 90 al 99 %. ^{[ 10 ]} Normalmente, en el Reino Unido, los filtros de arena lentos tienen una profundidad de lecho de 0,3 a 0,6 metros, compuesta por  arena de 0,2 a 0,4 mm. El caudal es de 0,25 m/h. ^{[ 11 ]}

Los filtros de arena lentos pierden gradualmente su rendimiento a medida que la biopelícula se espesa, reduciendo así el caudal a través del filtro. Finalmente, es necesario reacondicionar el filtro. Para ello, se suelen utilizar dos métodos. En el primero, se raspan los primeros milímetros de arena fina para exponer una nueva capa de arena limpia. A continuación, se decanta el agua de nuevo en el filtro y se recircula durante unas horas para permitir el desarrollo de una nueva biopelícula. Después, el filtro se llena por completo y se vuelve a poner en servicio. ^{[ 10 ]} El segundo método, a veces denominado rastrillado húmedo, consiste en bajar el nivel del agua hasta justo por encima de la capa hipogea, removiendo la arena; de esta forma, se precipitan los sólidos retenidos en esa capa y se permite que el agua restante lave a través de la arena. A continuación, la columna del filtro se llena por completo y se vuelve a poner en servicio. El rastrillado húmedo puede permitir que el filtro vuelva a estar operativo más rápidamente. ^{[ 9 ]}

Los filtros de arena lentos poseen una serie de cualidades únicas:

1. A diferencia de otros métodos de filtración, los filtros de arena lentos utilizan procesos biológicos para limpiar el agua y son sistemas sin presión. No requieren productos químicos ni electricidad para funcionar.
2. La limpieza se realiza tradicionalmente mediante un rascador mecánico, que generalmente se introduce en el lecho filtrante una vez que este se ha secado. Sin embargo, algunos operadores de filtros de arena lentos utilizan un método llamado "rastrillado húmedo", en el que la arena se raspa mientras aún está sumergida en agua, y el agua utilizada para la limpieza se desecha.
3. En los sistemas municipales suele existir cierto grado de redundancia , ya que es deseable que el caudal máximo de agua requerido pueda alcanzarse incluso con uno o más lechos fuera de servicio.
4. Los filtros de arena lentos requieren niveles de turbidez relativamente bajos para funcionar de manera eficiente. En condiciones estivales con alta actividad microbiana y cuando el agua bruta está turbia, la obstrucción biológica de los filtros se produce más rápidamente, por lo que se recomienda un pretratamiento.
5. A diferencia de otras tecnologías de filtración de agua que producen agua bajo demanda, los filtros de arena lentos producen agua a un caudal lento y constante, y generalmente se utilizan junto con un tanque de almacenamiento para los picos de consumo. Este caudal lento es necesario para el desarrollo saludable de los procesos biológicos en el filtro. ^{[ 12 ] : 38–41 [ 13 ]}

Si bien muchas plantas de tratamiento de agua municipales tienen 12 o más lechos filtrantes en uso simultáneamente, las comunidades o los hogares más pequeños pueden tener solo uno o dos lechos filtrantes.

En la base de cada lecho filtrante hay una serie de desagües en espiga cubiertos con una capa de guijarros, que a su vez está cubierta con grava gruesa. Encima se colocan capas adicionales de arena, seguidas de una gruesa capa de arena fina. La profundidad total del material filtrante puede superar el metro, siendo la mayor parte arena fina. Sobre el lecho de arena se encuentra una capa sobrenadante de agua sin depurar.

• Dado que requieren poca o ninguna energía mecánica, productos químicos o piezas de repuesto, y que solo necesitan una formación mínima del operador y un mantenimiento periódico, suelen ser una tecnología apropiada para zonas pobres y aisladas.
• Los filtros de arena lentos, debido a su diseño sencillo, pueden construirse de forma casera . Organizaciones como Tearfund en la República Democrática del Congo y otros países han utilizado filtros de arena lentos caseros para ayudar a los pobres. ^{[ 14 ]}
• ^Los filtros de arena lentos son reconocidos por la Organización Mundial de la Salud ^{[ 15 ]} , Oxfam [ ^{16 ]} y la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ^{[ 17 ]} como una tecnología superior para el tratamiento de fuentes de agua superficial en pequeños sistemas de agua. Según la Organización Mundial de la Salud, «en circunstancias adecuadas, la filtración lenta de arena puede ser no solo el método más económico y sencillo, sino también el más eficiente para el tratamiento del agua».

• Debido a su baja tasa de filtración, los filtros de arena lentos requieren una gran superficie de terreno para un sistema municipal de gran tamaño. ^{[ 12 ]} Muchos sistemas municipales en los EE. UU. inicialmente utilizaron filtros de arena lentos, pero a medida que las ciudades crecieron y debido a su necesidad de tratar aguas de origen con alta turbidez, posteriormente instalaron filtros de arena rápidos , debido al aumento de la demanda de agua potable. ^{[ 18 ]}

• Filtración de ribera – Tipo de filtración de agua 
• Filtro de biosarena : técnica de filtración de agua basada en filtros de arena lentos. 
• Filtro percolador : tipo de sistema de tratamiento de aguas residuales con un lecho fijo de rocas o similar. 
• Filtro de arena rápido