Filtración de bioarena

El filtro de bioarena es una adaptación innovadora de los filtros lentos de arena tradicionales que se han utilizado para el tratamiento comunitario de agua durante cientos de años. Este tipo de filtro se desarrolló en la década de los noventa por el Dr. David Manz de la Universidad de Calgary (Canadá) y fue específicamente diseñado para uso intermitente o doméstico. Su fabricación e instalación es sencilla y fácil, pero es preferible que se realice con técnicos capacitados para evitar un rendimiento deficiente del filtro. Se puede hacer a nivel local, en cualquier lugar del mundo, debido a que está construido con materiales que están fácilmente disponibles en el mercado, lo que crea oportunidades para los negocios de la zona. Su costo de capital depende tanto del material local como de los costos laborales. Igualmente, no requieren materiales consumibles y los costos de operación son insignificantes.

El filtro de bioarena está compuesto de un contenedor sencillo con tapa y en su interior está relleno con capas de arena y grava que sirven para retener, de forma física, sedimentos, patógenos y otras impurezas presentes en el agua. Una capa de agua poco profunda se asienta sobre la arena, creando una capa biológica gelatinosa que contribuye a la eliminación de patógenos, debido a la depredación y competencia por los alimentos entre los microorganismos no perjudiciales contenidos en la capa biológica y los organismos nocivos presentes en el agua. 

Estos filtros son adecuados para el tratamiento del agua a nivel del hogar, escuela o comunidad y pueden tratar eficaz y directamente las aguas superficiales o subterráneas, con la salvedad de que estas deben ser lo más limpias posibles, ya que no eliminan el 100% de la turbidez y patógenos, ni productos químicos disueltos como, por ejemplo, pesticidas orgánicos o arsénico. Este filtro también se utiliza en los sistemas de cosecha de agua de lluvia, para el tratamiento de agua de lluvia a nivel de vivienda o comunitario, con mayores volúmenes, por ejemplo 250 litros (OPS 2010).

El contenedor del filtro puede ser de concreto, plástico o cualquier otro material, no tóxico, impermeable e inoxidable. El tipo más utilizado es el contenedor de concreto, de aproximadamente 0.9 m de altura y con una superficie de 0.3 m² (LANTAGNE et al. 2006). El cuerpo de dicho contenedor se hace gracias a un molde de acero o una tubería prefabricada y mantiene las capas de arena y grava en su sitio. Tiene una tapa que debe ser hermética para evitar la contaminación del agua y animales no deseados. En su interior se encuentra una placa difusora que no sólo evita que el agua llegue a la superficie de la arena demasiado rápido y la altere, sino que también protege a la capa biológica.

El contenedor está lleno de capas de arena y grava tamizadas y lavadas, conocidas como medios filtrantes; la primera, se encarga de extraer los patógenos y sólidos suspendidos, mientras que la segunda se divide en dos capas: la primera es una capa de separación que ayuda a que la arena no se escape hacia la siguiente capa y el tubo de salida, la segunda es la capa de drenaje, que sostiene la capa anterior y ayuda a que el agua fluya hacia el tubo de salida (CAWST 2009). Hay una zona de agua estancada de unos 5 cm de profundidad aproximadamente, por encima de la capa de arena, que se mantiene ajustando la altura de la tubería de salida y sirve para mantener la arena húmeda (LANTAGNE et al. 2006; CAWST 2009). Es esta característica de diseño la que, por un lado, permite la formación de una capa biológica en forma de película gelatinosa a la que llega el oxígeno que deja pasar el agua estancada y, por otra, la diferencia de otros filtros lentos de arena permitiendo la fabricación a pequeña escala y de uso intermitente.

Los patógenos y sólidos suspendidos son removidos a través de una combinación de procesos biológicos y físicos que se originan en la capa biológica y de arena. Dichos procesos incluyen (NGAI et al. 2005; EAWAG/SANDEC 2008; CAWST 2009):

• Retención mecánica: los sólidos suspendidos y los patógenos quedan físicamente atrapados en los espacios entre los granos de arena.
• Adsorción: los patógenos se adhieren entre sí a los sólidos suspendidos que se encuentran en el agua y a los granos de arena.
• Depredación: los patógenos son consumidos por otros microorganismos que están en la capa biológica. Esta última, tiene un período de maduración de entre una y tres semanas, dependiendo del volumen de agua que pasa a través del filtro y la cantidad de nutrientes y microorganismos presentes en el agua.
• Muerte natural: los patógenos terminan su ciclo de vida o mueren porque no hay suficiente comida ni oxígeno para que puedan sobrevivir.

En el caso de los filtros de arena para tratar el agua de lluvia, los diseños son más sencillos, contándose con una capa de arena gruesa (1- 2 mm), con un espesor de 20 a 40 cm sobre un lecho de piedra partida fina de un espesor de 30 cm, que impide el ingreso de la arena al drenaje (BASÁN et al. 2018). De acuerdo con estos autores “la superficie filtrante de arena gruesa debe ser proporcional a la de captación: por cada 100 metros cuadrados de superficie de captación se recomienda disponer de 1 metro cuadrado de superficie filtrante”. La OPS (2010) propone el uso de tanques de plástico de 250 litros con 200 kilos de arena fina que ocupan las 2/3 partes del volumen de los tanques.

El uso de filtros de bioarena es idóneo para el tratamiento seguro del agua en hogares, escuelas o incluso, pequeñas comunidades y puede usarse tanto aguas superficiales como subterráneas. Las condiciones prioritarias para el buen funcionamiento de este filtro son: a) que el agua no tenga un valor de turbidez superior a 50 UNT, b) no contener químicos disueltos como pesticidas y, c) cero presencia de cloro en el agua a filtrar. Por otra parte, la construcción e instalación del filtro podría requerir de un entrenamiento previo para evitar errores de diseño y funcionamiento. No obstante, si existe personal entrenado, entonces se puede usar material de la zona y, además, construirlos localmente.

En la comunidad de Alseseca el Grande (Atzalan, Veracruz, México), se encuentra el Centro de Desarrollo Rural Quetzalcóatl, que es una asociación civil sin fines de lucro, dedicada a promover el desarrollo rural sustentable en comunidades marginadas de México. Ellos han logrado desarrollar y validar su propio filtro de bioarena que es económico de construir y de fácil uso y mantenimiento. Por este motivo, este tipo de tratamiento se puede aplicar en cualquiera de los escenarios establecidos, siendo quizás el tamaño de la población la única limitante, ya que es más apropiado usarlo para pequeñas comunidades o de pocos habitantes debido a que los valores de volumen de agua filtrada por día pueden llegar a no ser suficientes para comunidades mayores (CDR QUETZALCOATL 2009). 

El filtro de bioarena es una tecnología probada que elimina patógenos como bacterias, protozoos y helmintos, así como parámetros físicos como la turbidez, hierro, olor, sabor, etc. También, son algo efectivos para la eliminación de virus (CAWST 2009). Sin embargo, los productos químicos disueltos (como los pesticidas orgánicos o el arsénico) no se eliminan. El agua tratada generalmente tiene un color, sabor y olor agradables.

Hay que tener en cuenta que las posibilidades de enfermarse al consumir agua turbia se deben, generalmente, a los parásitos, virus o bacterias que se adhieren a los sólidos suspendidos presentes en el agua. Por otra parte, los estudios de impacto en la salud estiman que la diarrea se reduce entre el 30 y 47% para todas las edades, incluyendo al grupo de niños menores de 5 años, que representan una población bastante vulnerable (CAWST 2009).

La siguiente tabla muestra la eficiencia del tratamiento con filtro de bioarena para eliminar patógenos, turbidez y hierro:

La operación del filtro es muy simple. El agua se vierte en la parte superior del filtro, según sea necesario, y empieza a filtrase lentamente a través de la arena y el lecho de grava. En la base del filtro, hay un tubo plástico por el que se drena el agua hacia afuera donde, finalmente, se recoge y almacena en un recipiente de agua limpia para su posterior uso. Dicho tubo se encuentra previamente incrustado en los filtros de concreto para protegerlo de roturas y fugas. Es importante que el usuario recoja el agua tratada en un contenedor de almacenamiento seguro colocado en un bloque o soporte, de modo que la abertura del contenedor quede justo debajo de la salida del filtro, reduciéndose el riesgo de recontaminación. Cuando se usa por primera vez el filtro de bioarena hay que esperar entre unos 20 y 30 días para que se desarrolle la capa biológica hasta su madurez; esto dependerá de la calidad y el uso del agua de entrada (CAWST 2009).

Hay que tener en cuenta que aquellas aguas que vienen previamente cloradas, no se deben verter en este filtro ya que el cloro mata a los microorganismos que están presentes en la capa biológica, generando un bajo rendimiento de eliminación de patógenos. No obstante, el agua se puede clorar después de la filtración para mejorar su consumo seguro por las personas mayores y los niños de la comunidad o del hogar.

La velocidad de flujo a través del filtro disminuirá con el tiempo a medida que las aberturas de los poros entre los granos de arena se obstruyan. Para niveles de turbidez superiores a 50 UNT (unidades nefelométricas de turbidez), primero se debe filtrar el agua a través de un paño o sedimentarla antes de usar el filtro para evitar que se obstruya. Cuando el caudal de agua filtrada cae a un nivel que no es adecuado para el uso doméstico, el filtro debe limpiarse. Esto se hace mediante un simple procedimiento de "revolver y botar" realizado en la parte superior de la arena, y solo toma unos minutos. Dicho proceso consiste en agitar o revolver ligeramente la arena de la superficie, suspendiendo así el material capturado en la capa de agua estancada, para entonces eliminar o botar el agua sucia. El proceso puede repetirse tantas veces como sea necesario para recuperar el caudal deseado.

Después de la limpieza, se produce un restablecimiento de la capa biológica, que devuelve rápidamente el rendimiento del filtro a su nivel anterior. La necesidad de limpieza depende de la cantidad y calidad del agua que se pasa a través del filtro. Si el agua está relativamente limpia (turbidez inferior a 30 UNT), es probable que el filtro funcione durante varios meses sin necesidad de este procedimiento de mantenimiento (CAWST 2009). También, se necesita que el usuario limpie con regularidad el tubo de salida del agua, el contenedor donde ésta se almacena, la placa difusora, la tapa y el exterior del filtro.