Filtración lenta de arena

La filtración lenta en arena (FLA) ha sido un proceso de tratamiento de agua efectivo para prevenir la propagación de enfermedades gastrointestinales por más de 150 años, empleándose primero en Gran Bretaña y luego en otros países europeos (LOGSDON et al. 2002). Los FLA se siguen utilizando en Londres y, aunque también son comunes en otras partes del mundo, en Europa occidental se están dejando de utilizar. El abandono del uso de la filtración lenta de arena en los países industrializados se debe, en gran parte, al aumento de los precios de los terrenos y los costos laborales, que incrementan el precio del agua producida por FLA. Cuando este no es el caso, los FLA representan un método rentable para el tratamiento del agua (WHO 2000). Dado que estas condiciones prevalecen en muchos países en desarrollo, es una técnica muy prometedora para la purificación del agua y, por lo tanto, para el desarrollo de un sistema de agua sostenible.

El principio básico del proceso es muy simple. El agua contaminada fluye a través de una capa de arena, donde no sólo se filtra físicamente sino que se trata biológicamente. De esta manera, se eliminan tanto los sedimentos como los patógenos. Este proceso se basa en la capacidad de los organismos para eliminar patógenos. Es importante distinguir entre la filtración de arena lenta y la rápida. La diferencia entre los dos, aparte de la velocidad de filtración, está en el concepto fundamental del proceso de tratamiento, en el sentido de que la filtración lenta de arena es esencialmente un proceso biológico, mientras que la filtración rápida de arena es un proceso de tratamiento físico (WHO 2000).

Aunque la eliminación física de los sedimentos es una parte importante del proceso de purificación, el aspecto relevante es la filtración biológica. Las capas superiores de la arena se vuelven biológicamente activas mediante el establecimiento de una comunidad microbiana en la capa superior del sustrato de arena, también conocida como “schmutzdecke” y biocapa. Estos microbios, generalmente, provienen del agua de origen y establecen una comunidad en cuestión de unos pocos días. La arena fina y la tasa de filtración lenta facilitan el establecimiento de esta comunidad microbiana. La mayoría de la comunidad son bacterias depredadoras que se alimentan de microbios transmitidos por el agua que pasan a través del filtro (WHO 2000). Por lo tanto, el principio fundamental de la FLA es equivalente a la filtración de bioarena, con la diferencia de que la primera se aplica en tratamientos de agua semicentralizados, y la segunda es principalmente para fines domésticos.

Un ejemplo claro de cómo este tratamiento es sencillo y económico de construir y operar se puede ver en la comunidad de Axhumol (Tamazunchale), en la que a finales del año 2002 se puso en marcha una planta potabilizadora alimentada por el agua del río Amajac, captada a través de una galería filtrante, y en la que logra depurarla, clarificarla y bombearla a un filtro lento de arena, logrando que sea apta para el consumo, cumpliendo con lo establecido en la Norma Oficial Mexicana (NOM). La operación, que se realiza con energía solar, tiene un costo bastante bajo y la construcción se hizo con el apoyo de la comunidad, quienes obtuvieron la experiencia necesaria para su futura operación y mantenimiento (PULSO 2003).

Tal cual como ocurre con el proceso, la estructura básica del filtro lento de arena es muy elemental. Básicamente, sólo se requiere de una caja o tanque, un lecho filtrante de arena, tuberías de drenaje y dispositivos de regulación y control. El tanque, a menudo hecho de concreto, puede construirse como una caja abierta o cerrada, dependiendo de los factores climáticos, así como otros factores; por ejemplo, en el caso de haber un clima frío es preferible usar una caja cerrada, ya que las bajas temperaturas disminuyen el rendimiento del proceso. Para uso comunitario, las cámaras de filtración también pueden estar hechas de ladrillo o ferrocemento (BRIKKE and BREDERO 2003). Recientemente, también se han usado cajas de plástico como cámaras de filtración.

El diseño simple de los FLA facilita el uso de materiales y habilidades locales en su construcción (HUISMAN and WOOD 1974). Debido a la simplicidad de la construcción, estos filtros pueden ser construidos por contratistas experimentados o por comunidades con asistencia técnica externa (BRIKKE and  BREDERO 2003). Los equipos hidrológicos básicos como válvulas y dispositivos de medición sólo son necesarios cuando la instalación es bastante grande.

Una vez que la instalación está construida, sólo se requerirá de arena limpia para el reemplazo ocasional. Las capas de arena se colocan gradualmente de acuerdo con sus tamaños de grano: granos más bien gruesos en el fondo y granos finos en la parte superior (rango de tamaño 0.15-0.30 mm de diámetro). El lecho de arena generalmente está cubierto con un metro de agua sobrenadante (LOGSDON et al. 2002). Dado que el proceso de filtración biológica requiere bastante tiempo para purificar suficientemente el agua, los FLA generalmente operan a velocidades de flujo lentas entre 0.1 - 0.3 m3/h por metro cuadrado de superficie (WHO 2000). El agua permanece así en el espacio sobre el medio biológico durante varias horas y las partículas más grandes se dejan separar y sedimentar. Luego, pasa a través del lecho de arena donde atraviesa una serie de procesos de purificación (HUISMAN and WOOD 1974).

El agua requiere de algún tipo de presión física para poder superar la resistencia creado por las capas de arena. En términos de construcción, existen dos posibilidades donde la presión puede acumularse, o sea, mediante bombas o por gravedad. Si bien los sistemas de bombeo necesitan algún tipo de motor y una construcción más elaborada, los sistemas de gravedad funcionan sin ningún medio altamente tecnológico (HUISMAN y WOOD 1974).

Las FLA requieren una turbidez de entrada inferior a 20 UNT, preferiblemente, inferior a 10 UNT. De lo contrario, las medidas previas al tratamiento, como por ejemplo la sedimentación, se vuelven necesarias para garantizar que los filtros no se sobrecarguen (WHO 2000). Además, las condiciones climáticas deben estar en un rango moderado debido a que los FLA son menos efectivos para eliminar microorganismos en agua fría; la actividad biológica dentro del lecho filtrante y la biocapa disminuye a medida que las temperaturas disminuyen (NESC 2009). Por otra parte, la idoneidad de la aplicación se da principalmente para el tratamiento de aguas superficiales en poblados de hasta 2500 habitantes con disposición suficiente de agua con capacidades y recursos, donde la tierra disponible no sea un factor limitante, sobretodo porque la disposición del agua suficiente permite un flujo constante. Este escenario concuerda con los sistemas de agua donde hay abastecimiento comunal por gravedad con tratamiento y abastecimiento comunal por bombeo con tratamiento. También puede utilizarse para servir a casas dispersas con recursos y capacidades suficientes para su operación y mantenimiento, tanto con escasa disposición de agua, como suficiente disposición de agua, especialmente cuando la fuente de agua son aguas superficiales, como lagos, lagunas y embalses o ríos y riachuelos.

Dado que la construcción, operación y mantenimiento son simples y no requieren más que habilidades básicas, la filtración lenta de arena es un método de tratamiento que es altamente compatible en poblaciones donde las poblaciones están dispuestas a colaborar y puede contribuir a mejorar los sistemas de gestión del agua en muchas regiones de países en desarrollo. Aunque los FLA se adaptan automáticamente a fluctuaciones menores en la calidad del agua dulce, temperatura y condiciones climáticas, así como también son capaces de hacer frente a cortos períodos de excesiva turbidez sin dañarse, se debe garantizar el mantenimiento periódico y adecuado (HUISMAN and WOOD 1974).

La filtración lenta en arena es un método extremadamente eficiente para eliminar la contaminación microbiana y generalmente no hay presencia de bacterias en la salida. Los FLA también son efectivos para eliminar protozoos y virus (WHO 2000). Si la turbidez del efluente es inferior a 1.0 (UNT), se logra una reducción del 90 al 99% en bacterias y virus (NESC 2009). No obstante, la filtración lenta de arena generalmente no es efectiva para la mayoría de los productos químicos (WHO 2000). Sin embargo, se puede argumentar que los estándares químicos para el agua potable son una preocupación secundaria en el suministro de agua que está sujeta a una contaminación bacteriana severa (WHO 1996).

Aunque los FLA son muy efectivos para la eliminación de patógenos microbiológicos, la desinfección por cloración a menudo se usa en las instalaciones de tratamiento como un paso posterior a la unidad de la filtración lenta; en primer lugar, con el propósito de inactivar cualquier bacteria restante siendo la unidad final de tratamiento y, en segundo lugar, para la provisión de un desinfectante residual que eliminará cualquier bacteria introducida durante el almacenamiento y/o distribución (WHO 2000). Por lo general, se agrega cloro después de la unidad de filtro para no afectar el proceso biológico. Si el agua contiene grandes cantidades de materia orgánica natural (MON), como por ejemplo las aguas superficiales de regiones tropicales, la cloración  debe evitarse debido al riesgo de formación de subproductos de desinfección (SPD). Cuando son atacados por radicales de cloro, las MON forman trihalometano (THM) y otros SPD orgánicos, que se sabe que son cancerígenos.

Para que una FLA sea efectiva, debe ser operada y mantenida adecuadamente. Si las circunstancias topográficas permiten que el agua fluya a través de la gravedad durante todo el proceso, no se requieren bombas y, por lo tanto, tampoco electricidad. Sin embargo, el flujo de agua debe mantenerse a una velocidad entre 0.1 y 0.3 m/h. Esto proporciona un flujo estable de nutrientes y oxígeno a los microorganismos en el filtro y les da tiempo para tratar el agua. Tras varias semanas o incluso algunos meses de operación, la población de microorganismos puede volverse demasiado densa y comenzar a obstruir el filtro. Si los caudales son demasiado bajos, el filtro debe drenarse y la capa superior de la arena debe rasparse, lavarse, secarse al sol y almacenarse. Después de varios raspados, la arena limpia y seca se agrega nuevamente al filtro, junto con arena nueva, para compensar las pérdidas durante el lavado. Cada dos meses, todas las válvulas deben abrirse y cerrarse para evitar que se atasquen, y cualquier fuga en el sistema debe repararse inmediatamente (BRIKKE and BREDERO 2003).

Los filtros lentos de arena pueden ser operados e incluso monitoreados por las comunidades, siempre que los cuidadores estén bien capacitados. El cuidador necesita menos de una hora al día para verificar si el filtro funciona correctamente y para ajustar las tasas de flujo. Una unidad de filtro se puede limpiar entre varias personas en solo un día, pero es importante que se observen medidas higiénicas constantemente. Si el filtro está bien diseñado y construido, apenas será necesaria una reparación de los tanques del filtro y del sistema de drenaje, aunque las válvulas y los tubos metálicos pueden necesitar atención ocasional. Si hay kits de prueba de agua disponibles, la calidad del agua puede monitorearse fácilmente sin una capacitación especial. Sin embargo, un FLA para uso comunitario requiere una organización considerable para raspar y volver a llenar de arena las unidades de filtro. Un cuidador local deberá ser entrenado. Además de arena extra, algo de cloro y materiales de prueba, se necesitan muy pocos elementos adicionales. Con la asistencia externa adecuada, las organizaciones de agua pueden gestionar el tratamiento de forma independiente (BRIKKE & BREDERO 2003).