Filtración dinámica

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OPS/CEPIS/PUB/03.102Original: inglés

FILTRACIÓN DINÁMICAFelipe Solsona

Asesor Regional en Calidad del AguaOPS/CEPIS

Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del AmbienteOrganización Panamericana de la Salud

Área de Desarrollo Sostenible y Salud AmbientalOficina Sanitaria Panamericana, Oficina Regional de la

Organización Mundial de la Salud

Lima, 2003

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Derechos de autor de la versión original en inglés© Council for Scientific and Industrial Research, CSIR, Pretoria, Sud Africa, 1993.

Derechos de autor de la versión en español© Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2003

El Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS/OPS) se reserva todos los derechos sobre esta versión en español. El contenidode este documento puede ser reseñado, reproducido o traducido, total oparcialmente, sin autorización previa, a condición de que se especifique la fuentey de que no se use para fines comerciales.

El CEPIS/OPS es un centro especializado del Área de Desarrollo Sostenible ySalud Ambiental (SDE/OPS) de la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS), Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud.

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ACERCA DEL AUTOR

FELIPE SOLSONA

Argentino, Ingeniero Sanitario y Magíster en Química de la Universidad de Buenos Aires,Argentina. Ha trabajado extensamente en tecnología apropiada y saneamiento básicocon énfasis en el tratamiento de agua y el control de su calidad.De 1993 al 2003 ha sido asesor de la Organización Panamericana de la Salud/Organiza-ción Mundial de la Salud.Ha vivido 12 años en la Patagonia Argentina, 5 años en el Brasil y 5 en África.Cuenta con cerca de un centenar de manuales, artículos y documentos escritos.

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AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar mi sincero agradecimiento a las personas quehicieron posible la producción de esta guía práctica. Mi intención ha sidoelaborar un documento que se constituya en una herramienta útil paradiseminar la tecnología de la filtración dinámica. Este propósito no habríapasado de una buena idea si no hubiera contado con la ayuda de muchaspersonas.

La cooperación de amigos y colegas de dos continentes fue lo queme llevó a rescatar esta tecnología tan valiosa y espero que su renacimientose vea impulsado con esta edición en español. Mis agradecimientosespeciales van a:

Water Research Commission y el CSIR sudafricanos, organizacionesque apoyaron la investigación desarrollada en Sudáfrica, mi viaje aAmérica Latina y la producción de la guía técnica original y quepermitieron su reproducción como publicación de la OPS/OMS.

Ing. Lidia Vargas de Cánepa, de la OPS/CEPIS, por la evaluación técnicadel documento y por sus acertadas sugerencias.

Ing. I. Pearson, ex-colega de la División de Tecnología del Agua, CSIR,Sudáfrica, por su sabiduría, por la revisión de este trabajo y por lainclusión de algunas sugerencias importantes.

Ing. W. Kariuki, ex-colega de la División de Tecnología del Agua, CSIR,quien me ayudó durante la construcción y las pruebas de la unidadde filtración dinámica para la investigación en Daspoort, Pretoria.

Arq. C. Bolsinger, Director de la Asociación Interamericana de IngenieríaSanitaria y Ambiental (AIDIS) y Gerente de Planificación delCOFAPYS de Buenos Aires, Argentina, quien hizo los contactos yfacilitó mi viaje a las provincias de La Rioja y Catamarca en esepaís.

Ing. E. Inhounds, Consultor autónomo (HYTSA, Buenos Aires) y ex-director del SNAP argentino, por la documentación proporcionada ypor sus valiosas sugerencias técnicas.

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Ing. A. Fernández, Ingeniero Jefe del Sistema de Aguas de La Rioja,quien me guió durante el viaje de visita a los filtros dinámicos ruralesde la provincia de La Rioja y me contó sobre los primeros días de losfd que formaron parte de su trayectoria.

Ing. J.L. Strauss, de la provincia del Sistema de Aguas de Catamarca,quien me guió durante el viaje de visita a los filtros dinámicos deCatamarca.

Y a todos los operadores de sistemas de agua rurales contac-tados durante mi visita a Argentina. Por su cooperación, por su vastaexperiencia adquirida a través de la dedicación a un trabajo que algunasveces es duro y mal remunerado. Por sus sugerencias y la sabiduría quedemos-traron. Su colaboración es una parte importante del conocimientoque se ofrece en esta guía técnica y de su posible éxito.

Felipe Solsona,1993

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CONTENIDO

Página

Agradecimiento .................................................................................... iiiResumen ................................................................................................... vii1. El motivo de esta guía técnica ........................................................ 12. Introducción .................................................................................... 23. Antecedentes ................................................................................... 44. Objetivo de esta guía técnica .......................................................... 75. Descripción general ......................................................................... 86. La fuente ........................................................................................... 87. Límites de calidad del agua cruda – pretratamiento ...................... 98. Captación del agua .......................................................................... 139. Canal de entrada .............................................................................. 1410. Control y medición de caudal ......................................................... 1411. Cámara de entrada y de disipación ................................................. 1512. El filtro .............................................................................................. 16

12.1 Vertederos ............................................................................. 1612.2 Cámara de recuperación de arena ......................................... 1812.3 Caja del filtro .......................................................................... 1912.4 Sistema de drenaje ................................................................ 2012.5 El conducto del rebose ........................................................... 2112.6 Sistema de control del agua filtrada ........................................ 22

13. Lecho filtrante .................................................................................. 2313.1 Lecho de soporte ................................................................... 2313.2 Lecho filtrante de arena .......................................................... 24

14. Reservorio ........................................................................................ 2515. Desinfección .................................................................................... 2616. Elementos del diseño ...................................................................... 26

16.1 Población servida ................................................................... 2716.2 Demanda de agua .................................................................. 2816.3 Volumen de agua filtrada – caudal diario ................................ 2916.4 Tasa de filtración .................................................................... 2916.5 Tasa: Flujo cruzado/Flujo de filtración .................................... 3016.6 Número de filtros .................................................................... 3116.7 Área total del filtro .................................................................. 3116.8 Área del filtro de cada unidad ................................................. 3216.9 Caudal del filtro ...................................................................... 3216.10 Caudal total ............................................................................ 3216.11 Caudal de diseño ................................................................... 3316.12 Relaciones hidráulicas importantes ........................................ 33

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16.13 Canal de entrada .................................................................... 3516.14 Conducción por tuberías ........................................................ 3716.15 Características de la caja del filtro .......................................... 3816.16 Cámara de disipación ............................................................. 4016.17 Longitud de la estructura ........................................................ 4016.18 Características de la caja de agua filtrada .............................. 4116.19 Controlador del agua filtrada .................................................. 4216.20 Válvulas ................................................................................. 42

17. Ejercicio de diseño .......................................................................... 4318. Operación y mantenimiento ............................................................ 49

18.1 Inspección del sistema ........................................................... 4918.2 Limpieza del filtro ................................................................... 49

19. Parámetros de diseño ...................................................................... 5220. Glosario ............................................................................................ 5721. Bibliografía ....................................................................................... 6322. Figuras .............................................................................................. 65

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RESUMEN

La filtración dinámica es un tipo especial de filtración lenta en arena.Si bien se originó en Rusia, fueron los ingenieros argentinos quienesdesarrollaron la tecnología con la instalación de no menos de 50 filtros alfinal de la década de 1970. Esos filtros, en su mayoría, siguen en operacióny proveen agua de excelentes características.

El autor reunió la información disponible sobre filtración dinámica enun viaje por varias provincias argentinas e instaló entre 1992 y 1993 unaunidad experimental en Pretoria, Sudáfrica, donde desarrollaba investi-gaciones sobre tecnología apropiada. El producto final de su trabajo fue laguía técnica Dynamic filtration, publicada por el CSIR de Sudáfrica y quese presenta en esta nueva versión con la autorización de esa institución.

Este documento está dirigido a los ingenieros y a los profesionalesrelacionados con la provisión de agua potable y su intención es que seconozcan los últimos adelantos y los parámetros básicos de diseño de lafiltración dinámica. La guía permitirá diseñar, operar y mantener filtrosdinámicos, los que han demostrado ser confiables, económicos y simplespara el suministro de agua de bebida de buena calidad a las comunidadesrurales.

RESUMO

A filtração dinâmica é um tipo especial de filtração lenta por areia.Ainda que originada na Rússia, foram os engenheiros argentinos quedesenvolveram a tecnologia, com a instalação de não menos que cinquentafiltros no final da década de setenta. A maioria desses filtros estão, ainda,em operação, provendo água de excelentes características.

O autor reuniu toda a informação disponível, a partir de uma viagempor várias províncias argentinas e instalou em 1992-1993 uma unidadeexperimental em Pretória, África do Sul, onde se encontrava desenvolvendopesquísas em tecnologia apropriada. O produto final de seu trabalho, foi

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um Guia Técnico (Dynamic filtration), publicada pelo CSIR da África doSul. Uma tradução deste documento é aqui apresentada, sob autorizaçãodo CSIR.

Este documento está destinado a engenheiros, para que conheçamo estado da arte e para que contem com os parãmetros básicos dedesenho. O documento lhes permitirá desenhar, operar e manter filtrosdinãmicos, que se mostraram confiáveis, econômicos e simples para aprovisão de água de beber de boa qualidade a comunidades rurais.

ABSTRACT

Dynamic filtration is a special type of slow sand filtration. Althoughoriginally from Russia, Argentine engineers developed the technologyinstalling not less than 50 filters by the late decade of 1970. Most of thesefilters are still in operation, providing water of excellent quality.

The author compiled the available information after a tour throughseveral Argentine provinces and installed an experimental unit in Pretoria,South Africa, in 1992-1993, where he was developing research onappropriate technology. The final product of his work was a technical guide(Dynamic filtration) published by the South African CSIR in 1993. Atranslation of that document is presented here by special authorization ofthe CSIR.

This document is intended for engineers and presents the state ofthe art of dynamic filtration and basic design parameters. The documentwill allow them to design, build and operate dynamic filters, which haveproved to be reliable, economical and simple, while providing drinking waterof good quality to rural communities.

Filtración dinámica 1

1. EL MOTIVO DE ESTA GUÍA TÉCNICA

Desde 1975 hasta 1986, el autor de esta guía trabajó como director de unservicio de protección ambiental en la provincia argentina del Chubut. Entre otrasfunciones, el servicio se encargaba de monitorear la calidad del agua que lasplantas de tratamiento de agua rurales producían y distribuían en su área.

Entre los diversos sistemas en operación se usaban los filtros dinámicos.Su desempeño, cuidadosamente controlado por más de una década, mostró queesta tecnología era muy simple, altamente confiable y muy apropiada para lasáreas rurales de los países del tercer mundo.

El contacto con las autoridades argentinas del área de saneamiento,involucradas en el desarrollo inicial de esta tecnología, así como el contacto conotros ingenieros que controlaban o trabajaban con filtros dinámicos en las provinciasvecinas permitieron hacer notar que era una tecnología importante que requeríamás conocimiento, estudio y promoción.

En aquella década, las pocas pruebas realizadas por los técnicos no fueronsuficientes para llegar a un conocimiento exhaustivo de sus características yposibilidades. Lo único que se sabía a ciencia cierta era que los filtros siempreoperaban de forma confiable. Como se explicará a continuación, no se hicieroninvestigaciones posteriores.

Los filtros construidos en Argentina siguieron funcionando a través de losaños y produjeron millones de litros de agua potable de buena calidad. El CentroInternacional de Referencia (IRC), centro colaborador de la Organización Mundialde la Salud (OMS), con sede en La Haya, destacó esta tecnología en uno de susinformes anuales.

Sin embargo, no se encontró documentación de ninguna investigación niseguimientos recientes en donde: a) se recolectaran datos disponibles en Argen-tina después de más de veinte años de operación; b) se tratara de comprender latecnología; c) se buscaran innovaciones para mejorar esta tecnología; d) seelaborara un documento que al menos presentara los criterios básicos de diseñopara asesorar a los ingenieros en la construcción de este tipo de unidad, la cual,como se verá seguidamente, es adecuada para áreas rurales montañosas.

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Resulta un tanto irónico el hecho de que el autor haya encontrado apoyopara la investigación en otro continente y en un país donde no hay muchasmontañas (véase el punto 3).

2. INTRODUCCIÓN

Si bien la filtración lenta en arena es compleja en lo que respecta a lainterrelación entre los parámetros físicos, a la hidráulica que gobierna el procesocomo un todo y al mecanismo biológico inherente, es una tecnología sencilla yquizás una de las más nobles y confiables.

Un filtro lento de arena es simple. Se trata de un lecho de arena apoyadosobre otro lecho de grava, contenidos en una caja con una entrada para el aguacruda y una salida para el agua tratada.

La filtración lenta en arena es la opción que se usa cada vez más en lasáreas rurales de los países en desarrollo. Se usa para la remoción de materiaorgánica y organismos patógenos del agua cruda con turbiedad relativamentebaja. No obstante, se prevé una eficiencia de hasta 75% si se usan compuestosque reducen la turbiedad. Esta antigua tecnología (el primer filtro para abasteceragua a una ciudad fue construido en 1829 en Londres por la empresa ChelseaWater) ofrece entre sus ventajas:

· Bajos costos de construcción.· Diseño simple y construcción fácil.· Poco requerimiento de tubería, de equipos y de instrumentos auxiliarespara la instalación.· Operación y mantenimiento sencillos, sin equipos especiales.· Operación y mantenimiento que demandan poco tiempo.· El sistema no tiene partes móviles.· No se usan productos químicos.· Se puede adaptar a los cambios de la calidad del agua (hasta cierto punto).· El lavado no emplea agua limpia.· No requiere energía eléctrica.

Este documento trata sobre la filtración dinámica y los filtros dinámicos;un filtro dinámico (fd) es un tipo de filtro lento de arena (fla).


Así como la profundidad del medio filtrante y las características de los lechosson las mismas en el filtro dinámico (fd) y en el filtro lento de arena (fda), lossistemas de drenaje, los controladores de agua filtrada y la mayoría de losparámetros operativos como la tasa de filtración, el principio de la película biológica,etc., son semejantes. La gran diferencia entre estos tipos de filtro es la manera enla que el agua cruda ingresa a la unidad.

En lugar del metro estándar de presión estática de agua sobre la últimacapa de arena del típico fla, el flujo de agua del fd que proviene de un río o arroyo,fluye con una presión estática de unos pocos milímetros.

El efecto de este flujo cruzado empuja las partículas suspendidas máspesadas sobre el vertedero al final del filtro y luego las retorna al río. Parte delflujo se filtra a través del lecho de arena hacia dentro del sistema de subdrenaje yes transportado a un depósito. Esta acción es semejante a la de un fla.

Si bien una de las desventajas del fd es que requiere una gran cantidad deagua de alimentación (la mayor parte del agua se desbordará y se desperdiciarácomo agua no usada), el mayor beneficio es la simplicidad de la limpieza.

Debido a los grandes volúmenes de agua que se requieren, la aplicaciónde estos filtros se limitan a las áreas montañosas, donde los ríos tienen gradientespositivas y no se requiere bombeo. El agua en exceso se desborda nuevamentehacia el río de donde se tomó.

En el caso de un fla, el procedimiento de limpieza está relacionado con lacantidad de turbiedad que el filtro puede soportar. Si bien un fla típico se puedeusar con agua de 30 a 40 unidades nefelométricas de turbiedad (UNT), este operamejor cuando el agua tiene menos de 10 UNT. Si la turbiedad es alta, la carrera (elperiodo entre las limpiezas) es muy corta. Limpiar un fla implica interrumpir sufuncionamiento y drenarlo. Luego, es necesario raspar y remover algunoscentímetros de la parte superior de la arena. Se debe llenar la unidad lentamentecon agua y ponerla de nuevo en operación. Se requiere tiempo para desarrollartodo el proceso y hay que esperar hasta que la capa biológica se forme en lasnuevas capas superiores de arena.

En cambio, los filtros dinámicos son relativamente independientes de lacarrera, ya que normalmente la limpieza se hace con un rastrillo de madera o

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raspador sobre la superficie. Esta operación solo toma algunos minutos y serecomienda hacerlo diariamente.

Se puede usar un fd para filtrar agua cruda con turbiedad de 50 UNT. Lasventajas, desventajas y procedimientos de limpieza se discutirán másdetalladamente en las siguientes páginas. Para terminar esta corta introducciónsobre la descripción general de un fd, se puede decir que si bien la operación ymantenimiento de un fla es simple y apropiada para las poblaciones rurales de lospaíses del tercer mundo, la operación y el mantenimiento de un fd son muchomenos complicados e incluso demandan menos tiempo. En ello reside el secretoy el gran valor de esta tecnología.

3. ANTECEDENTES

A fines de los años cincuenta y a inicios de los sesenta, los ingenierossanitarios rusos tuvieron algunos logros a través de la investigación aplicada enel área del tratamiento de agua. Dentro de las líneas de desarrollo, las tecnologíasde filtración constituyeron una parte importante de su trabajo.

El uso adecuado de los parámetros de diseño para la filtración lenta enarena, los filtros de flujo ascendente, el trabajo en lechos mixtos y los filtros deflujo doble fueron desarrollos prácticos típicos que encontraron una rápidaaceptación mundial.

No obstante, no hay muchas pruebas que indiquen que la filtración dinámicahaya sido mucho más que un ejercicio teórico atribuido a ingenieros motivados yanimosos o que haya pasado la primera etapa de una línea de investigación conel nivel necesario de comprensión para que fuese divulgada ampliamente.

Después de la presentación de un trabajo ruso en un seminario local, lateoría empezó a ser aceptada rápidamente en América Latina. Y. Ayrapetov, uningeniero ruso que enseñaba en una universidad de un estado del norte de Argen-tina, tradujo al español un trabajo sobre el tema. Fue entonces que los ingenierosy autoridades del Servicio Nacional de Agua Potable, SNAP (organización argentinaencargada del abastecimiento de agua a comunidades rurales con menos de 2.000personas), se interesaron por la tecnología.


El concepto de filtración dinámica se diseminó rápidamente en una épocaen la que la ingeniería sanitaria tenía liderazgo en el continente. Después dealgunas discusiones teóricas, en 1969 se construyó el primer filtro dinámico queentró en funcionamiento en Anillaco, La Rioja, Argentina.

Esta instalación pionera fue seguida de otras. Además de la provincia deLa Rioja, otros estados argentinos como Catamarca, Chubut, Córdoba, Mendoza,San Juan y Tucumán construyeron varias unidades para servir a pueblos ruralesy pequeñas ciudades. Si bien no hay cifras exactas, se cree que a fines de losaños setenta aproximadamente 50 filtros estaban en completa operación en elpaís.

Además de estas unidades construidas en Argentina y de los experimentosiniciales desarrollados allí, solamente Ecuador, Brasil y Chile han tenido unaexperiencia limitada con esta tecnología.

Como es típico de los países en desarrollo, la idea original se diseminórápidamente y se realizaron muchos estudios teóricos para proveer criterios dediseño. Se desarrollaron y publicaron fórmulas complicadas y consideracionesideales en artículos e informes: Pérez Farrás (1); Arboleda (2); Rodríguez (3);Aguilar y Fernández (4).

Como también es típico de los países en desarrollo, se han realizado pocasevaluaciones prácticas para obtener parámetros y criterios apropiados para eldiseño. Esto se debió a que los investigadores no tuvieron el apoyo suficiente.Además de la disponibilidad de investigadores dedicados e inteligentes, paraentender esta tecnología de filtración también se requería infraestructura y recursosque no estaban disponibles en el caso discutido.

La Organización Panamericana de la Salud/Organización Mundial de laSalud (OPS/OMS) designó a José Pérez, uno de sus ingenieros que entoncestrabajaba en el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias delAmbiente (OPS/CEPIS) en Lima, Perú, para investigar los avances más recientesde esta tecnología. Pérez elaboró un informe técnico fechado el 4 de abril de 1977(5). No sólo recopiló la información disponible en aquella época sino que tambiénpropuso un programa de evaluación que sería ejecutado en Argentina. Dos añosdespués, en 1979, se estableció un programa de investigación entre el SNAP, elServicio de Agua Potable de La Rioja, y la Universidad de esa provincia.

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Cerca de la capital de la provincia de La Rioja se construyeron filtros concaracterísticas especiales y se pusieron en operación. Sin embargo, los trabajosno tuvieron éxito, ya que se interrumpieron debido a un recorte de recursosfinancieros y humanos. Por lo tanto, los datos recopilados resultaron irrelevantes.

El resultado de la experiencia de América Latina, como se describe en estareseña histórica, muestra que se ha hecho muy poco para comprender la operaciónde los filtros dinámicos y para elaborar un manual con criterios de diseño, a pesarde que estos fueron los objetivos de aquellos grupos de ingenieros altamentecalificados e interesados.

Cabe señalar que resulta extraño que si bien la tecnología fue difundida(los ingenieros sanitarios de América Latina tenían buenas conexiones y excelentesrelaciones con sus contrapartes en otras regiones del continente; la OPS hizopúblico los logros de los argentinos; el IRC hizo diversas menciones y descripcionesde tales filtros; etc.), ésta nunca despertó el interés de otros centros de investigacióndel primer mundo para dar continuidad a los estudios sobre el tema.

¿Acaso la tecnología no era lo suficientemente buena o confiable? ¿Podríanlos problemas de operación o de mantenimiento haber desmotivado a los ingenierospara desarrollar más filtros? ¿Acaso esta tecnología era inferior o más problemáticaque la convencional filtración lenta de arena? ¿Eran los costos de construcción yoperación mayores que los del fla?

La respuesta a estas preguntas es un rotundo NO.

Hay un hecho notable que fundamenta esta respuesta: los filtros construidosen Argentina hace más de 20 años siguen en operación sin ninguna dificultad,producen agua de excelente calidad y no presentan ningún problema en particu-lar.

En el intento por redescubrir el potencial de esta tecnología, el Council forScientific and Industrial Research (CSIR, el centro de investigación más importantede África) y el Water Research Commission, ambas de Sudáfrica, apoyaron unviaje a la Argentina, que dio lugar a la investigación que se ha concretado en estaguía técnica.

En enero de 1993, el autor de este trabajo, en calidad de investigador delCSIR, viajó a La Rioja y a Catamarca (provincias argentinas). Visitó servicios de


15 comunidades que aplicaban filtración dinámica, conversó con autoridades delas provincias y del SNAP y recopiló información práctica a través de la operaciónefectiva de los filtros y de las experiencias de los operadores.

En 1992, se construyó un filtro dinámico en las instalaciones de la Divisionof Water Technology del CSIR en Daspoort, Pretoria. El agua se tomó del ríoApies y se hicieron varias pruebas para comparar ese filtro con un filtro lentoconvencional de arena que funcionó como una unidad de referencia.

Los datos recopilados en el viaje a la Argentina y la investigación en Daspoortpermitieron la elaboración de esta guía técnica.

4. OBJETIVO DE ESTA GUÍA TÉCNICA

Como se ha explicado anteriormente, aún no se ha comprendido totalmentela tecnología de la filtración dinámica. Si bien las pruebas y experimentos hechosen Daspoort permitieron obtener datos muy buenos, esta información y laexperiencia argentina no bastan para escribir un manual definitivo sobre los criteriosde diseño para la filtración dinámica. En la aplicación de esta tecnología se debenconsiderar varios parámetros y, por consiguiente, se requeriría mucho más tiempopara llegar a comprenderla totalmente. La recopilación exitosa de ese documento(manual) demandará más esfuerzos en términos de recursos humanos, tiempo yfinanciamiento.

Cabe resaltar que las tareas desarrolladas han permitido obtener lainformación necesaria para proveer criterios básicos de diseño y para facilitarla comprensión adecuada de los parámetros básicos de diseño y construcción defiltros dinámicos.

Esta guía técnica es importante porque proporciona al ingeniero lainformación necesaria para diseñar un filtro dinámico, lo que es suficiente parajustificar este documento.

La explicación sobre los parámetros más importantes y sobre los criteriospara los valores y límites escogidos, junto con la sección sobre diseño y el ejerciciopara planificar un filtro específico basado en condiciones reales, serán muy útilespara el ingeniero responsable de diseñar una de estas unidades.

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Si bien esta guía ofrece información útil y suficiente, será necesariocomplementarla con otros datos recientes de investigaciones y experiencias confiltros. Existe la intención de que esta guía sea actualizada y mejoradacontinuamente.

5. DESCRIPCIÓN GENERAL

El sistema de fd consiste en una estructura para la toma de agua(normalmente en un río de montaña), mediante una tubería o canal que conduceel agua del río al lugar donde está el filtro, un pretratamiento (si fuera necesario),vertederos de medición de caudal, una entrada para disipar la energía y a travésde la cual el agua va a ingresar al filtro, el filtro en sí con una cámara de recuperaciónde arena, una caja para el agua filtrada y un conducto de rebose que retorna elagua no usada al río.

La desinfección se debe considerar como una opción importante, al igualque un tanque o reservorio para distribuir el agua a los usuarios. En la figura 1 semuestra un esquema típico.

6. LA FUENTE

El filtro dinámico es un sistema que obtiene agua de un río o riachuelo demontaña. Por consiguiente, se debe disponer de toda la información posible sobrela fuente de suministro de la unidad.

Antes de construir el fd, se recopilarán los datos sobre las determinacionesdirectas que realiza la institución que administra el río como recurso y sobre lasorganizaciones que trabajan en el área, los comités locales o de vecinos yresidentes de los pueblos. Estas informaciones deben incluir: caudales, variacionesde tales caudales durante el año y registros de los niveles máximos y mínimos enlas diferentes estaciones a lo largo de algunos años. También se deben determinarlos usos genéricos aguas arriba y aguas abajo, el derecho de acceso al río, el usodel río por otras personas, la posibilidad de cercar las unidades, la probabilidadde daños por vandalismo, etc.

Las inundaciones son una parte importante de esta investigación. ¿Es comúnque el río se desborde? ¿Se pueden predecir las inundaciones? ¿Son violentas


las inundaciones? ¿Cuál es el nivel máximo durante las inundaciones? ¿Qué tipode materiales arrastran las inundaciones aguas abajo?

En cuanto a la calidad del agua, se deben conocer los valores máximos ymínimos de diversos parámetros durante diferentes épocas del año. Lasinvestigaciones microbiológicas y biológicas deben ser las consideraciones másimportantes.

Se debe realizar una inspección completa para detectar cualquier otro usoposible, tanto “natural” (como agua para el ganado) como industrial (receptor deefluentes). Si el río recibe un determinado efluente industrial, es importante conocersus características y los parámetros que puedan ser perjudiciales para la saludhumana o animal.

Para construir la unidad y usar el agua del río se deberá tener la autorizaciónde las instituciones que administren su uso. Se deberán programar reuniones conlos vecinos que usen el agua aguas abajo (el uso del agua para beber podríareducir la cantidad de agua disponible para otros usuarios aguas abajo).

Por último, se deberán investigar las pendientes para detectar las diferenciasapropiadas en los niveles de la captación del agua, en la ubicación del filtro y en elretorno del agua no usada.

7. LÍMITES DE CALIDAD DEL AGUA CRUDA – PRETRATAMIENTO

Una vez que se ha obtenido la información necesaria, es importante evaluarla eficiencia del filtro en relación con la remoción de impurezas y compararla conel problema que pueda representar la contaminación del agua cruda.

Como se ha dicho, el fd es un sistema que se usa para el abastecimientode agua potable en áreas rurales. Se supone que las comunidades (un pueblo, uncolegio, un grupo de familias, etc.) que viven en estas áreas están aisladas y queno hay fábricas ni actividades industriales en el área de localización del filtro.

Los únicos problemas que el agua cruda debe de presentar son la turbiedado la contaminación orgánica, tanto en forma microbiológica como biológica. Por lotanto, es importante conocer las limitaciones de un filtro lento de arena en relacióncon la remoción de tales impurezas.

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Como se ha mencionado en la parte introductoria, un filtro lento de arenaoperará eficientemente con niveles de turbiedad menores de 10 UTN. Si la turbiedadse encuentra dentro del rango de 30 a 40 UTN, un filtro lento de arena la aceptarásolamente por un periodo muy corto. Si el agua cruda presenta una turbiedadconstante, con valores mayores de 25 UTN, se recomienda un pretratamiento.

No se dispone de mucha información sobre la tolerancia de un filtro dinámicoa la turbiedad, con excepción de la obtenida en la investigación del CSIR. No seha considerado un límite superior como el “máximo permitido” o mejor dicho “elnivel máximo de turbiedad en el cual el filtro operará sin interrupción”.

En todo caso, el procedimiento de limpieza de un fd es tan simple que sedeberá establecer el límite de turbiedad para que la operación de filtración no seinterrumpa antes del tiempo generalmente especificado para la limpieza de rutina,que es de 24 horas.

En otras palabras, el operador debe limpiar el filtro diariamente durante losperiodos “normales” de operación. Durante el periodo de 24 horas la tasa defiltración podrá disminuir debido a la “acumulación” de lodo en la superficie delfiltro. Si esta disminución fuera inaceptable para el nivel de consumo (o para laproducción esperada del filtro), la turbiedad que la causó se debe considerar comoun límite operacional.

Sin embargo, la investigación realizada por el CSIR comprobó la operacióndiaria de un fd sin problemas con agua cruda de turbiedad de hasta 50 UNT (no seha realizado otra experiencia con un nivel mayor de turbiedad). No obstante, serecomienda instalar un sistema de pretratamiento cuando la turbiedad del aguacruda sea mayor de 50 NTU por periodos prolongados.

El pretratamiento típico se debe realizar a través de tanques desedimentación, de filtración por el lecho del río o de prefiltración por grava. Elanálisis del agua deberá proveer los parámetros básicos para diseñaradecuadamente cualquiera de estas unidades.

Cabe destacar que la OPS/CEPIS (Centro Panamericano de IngenieríaSanitaria y Ciencias del Ambiente de la OPS) considera que cuando se requiereprefiltración, no es recomendable usar la filtración dinámica ya que se estaríadevolviendo al río la mayor parte del agua tratada a través de la prefiltración.


El siguiente análisis aclarará las posibilidades de remover materia orgánicacon los filtros lentos de arena y lo que se puede esperar de un fd.

Como se ha dicho, la presencia de una capa biológica, también llamada“Schmutzdecke” (un término alemán que significa “capa sucia”), parece ser elprincipal factor responsable de la remoción de la contaminación orgánica vivapresente en el agua cruda. La Schmutzdecke es un tipo de zooglea que recubrelos granos de arena de las capas superiores (los primeros centímetros de lasuperficie). Esta zooglea está formada por una gran cantidad de organismos comoplancton, protozoarios, rotíferos, bacterias, etc. Como en esta capa la actividadbiológica está en su punto máximo de actividad, los organismos captan y digierenla materia orgánica presente en el agua. En el proceso se forman sales orgánicasy los compuestos de carbón se descomponen y oxidan en formas más estables.

Esta capa biológica no se forma instantáneamente en un fla, sino querequiere un tiempo para que el filtro “madure”. La maduración puede tomar días osemanas de acuerdo con la calidad del agua cruda, la tasa de filtración, el pH, latemperatura, etc. Es probable que la remoción de bacterias sea baja hasta que seforme la Schumtzdecke.

Se ha observado que durante el desarrollo de la Schmutzdecke también seproduce lo que se llama “maduración del lecho de arena”. Es decir, la capa biológicapuede extenderse a las capas más profundas donde predominan otros tipos deorganismos. Si bien la actividad en las capas más profundas parece no ser tanintensa como en las superiores, se ha observado que después de la remoción dela parte superior de la arena en el fla (para limpiar el filtro), este requiere menostiempo para comenzar a purificar el agua, que cuando recién empieza la operacióndel filtro. La biomasa que todavía existe en las capas más profundas ayuda adestruir los microorganismos del agua que filtra y a desarrollar más rápidamenteuna nueva Schmutzdecke en las capas superiores.

Es esencial tener una descripción completa de este mecanismo para poderentender cómo opera en un fla y la diferencia de este proceso en un fla y en un fd.

Se ha observado que la Schmutzdecke se forma mucho más rápido en unfd que en un fla.

Las pruebas realizadas en el CSIR demostraron que el tiempo para reducirel contenido de E. coli en un fd y en un fla con las mismas características y

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alimentados con la misma agua, no es el mismo. La reducción del recuento inicialde bacterias a un factor de 102 llevó un día en el fd y dos en el fla. La reducción aun factor de 103 llevó dos días en el fd y tres en el fla.

La razón de ello es la formación más rápida de una Schmutzdecke másmadura en el fd. Los ingenieros argentinos también hicieron esta observación.Generalmente, mencionan capas biológicas activas que se forman hasta en 24horas.

Se han planteado algunas hipótesis para explicar el desarrollo más rápidode la capa biológica: a) es probable que el flujo de agua, muy fino y activo, quefluye sobre la superficie del filtro incorpore oxigeno de una forma que no es posibleen un fla, ya que el agua sobre su superficie es estática; b) la acción solar másfuerte (causada por la altura de la capa de agua muy fina sobre la arena) puedetener un efecto positivo en la formación de la capa biológica.

Esta explicación y el hecho de que la madurez del lecho sea tan rápida,permite afirmar dos cosas importantes sobre el fd. En primer lugar, permite afirmarque el filtro va a producir agua libre de la mayoría de microorganismos despuésde su limpieza. En segundo lugar, permite afirmar que la operación normal, queimplica la limpieza diaria de los granos de arena del filtro con un rastrillo de madera,en realidad no produce la destrucción hipotética de la Schmutzdecke. Los granosde arena, a pesar de tanta agitación y fricción, no pierden su membrana de zoogleay la maduración del lecho combate la contaminación mientras la Schmutzdeckese recupera y reimplanta rápidamente en los granos de las capas superiores dearena.

Las pruebas realizadas con los fla han demostrado que se puede esperarla reducción de E. coli por factores de 100 a 1.000. Las pruebas realizadas en elCSIR indicaron que los factores de reducción para la E. coli en la fd pueden llegarhasta 10.000.

No se ha realizado ningún experimento sobre la remoción de otroscompuestos a través de la fd. No obstante, se espera una remoción con la mismaeficiencia que provee un fla.

El cuadro 1, extraído del Manual of Design for Slow Sand Filtration (6)muestra las posibilidades de remoción de un fd.


Cuadro 1. Valores-guía sobre la calidad del agua para elegir un fd

Compuesto Remoción (%) Valores-guía(niveles máximos)

Turbiedad 75 < 50 UTN> 50 UTN con pretratamiento

Color 25 5 – 10 Pt – CoCarbono orgánico total 25 NingunaBacterias coliformes 99-99,99 NingunaQuistes de Giardia 99,9-99,99 10 – 50 quistes/m3

8. CAPTACIÓN DEL AGUA

La forma más simple de captar el agua es a través de una tubería o uncanal. No se proveerán detalles de diseño sobre este tema, ya que la mejorestructura dependerá básicamente de las condiciones particulares del río y delpunto específico de captación.

Sin embargo, es importante que el diseñador considere lo siguiente:

· Se deberá tener en cuenta la importancia, frecuencia y fuerza de las posiblesinundaciones. La estructura del fd debe ser lo suficientemente fuerte pararesistir las peores inundaciones.

· Es necesario definir bien los niveles mínimos para todas las estaciones ycondiciones, ya que siempre se deberá disponer de agua en el lugar de lacaptación.

· Se deberá levantar la topografía y los niveles del agua a fin de asegurar ladiferencia de nivel, según lo calculado en el diseño del conducto de entradaque transporta el agua que ingresa al filtro.

· Se deberá proteger el fd para prevenir la entrada de animales.

· Se deberá tener cuidado cuando el río arrastre demasiados residuos. Sedeben instalar desarenadores con rejillas para evitar la obstrucción del con-ducto de entrada.

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9. CANAL DE ENTRADA

Se recomienda construir un canal en lugar de colocar una tubería, ya que elcanal facilita la limpieza e inspección. Los problemas se pueden detectar a travésde la observación directa y la calidad del agua se puede determinar sin necesidadde ir hasta el río (en caso de que este estuviera lejos). Sin embargo, la instalaciónde una tubería es más simple, económica y rápida.

El diseñador optará por uno de estos sistemas, de acuerdo con las condi-ciones locales, las posibilidades de mano de obra, de recursos y de posibles pro-blemas de vandalismo (el canal es más vulnerable que la tubería enterrada), etc.

La sección sobre el diseño de un fd incluye los cálculos para ambos sistemas.

10. CONTROL Y MEDICIÓN DE CAUDAL

Se debe controlar y medir dos tipos principales de caudal: el caudal total (elcaudal que se va a tomar del río) y el caudal del agua filtrada (el agua queabastecerá a la comunidad). Una vez que se hayan determinado estos flujos, sedeberán administrar, controlar y medir.

En relación con el primer afluente, el que se toma del río, hay dosposibilidades. Si el diseño incluye un canal como conducto de entrada, la mejormanera de regular este caudal es a través de una compuerta de control, la cual esuna placa que se puede levantar o bajar para que pase solamente el aguanecesaria.

Al inicio del canal de entrada debe haber una compuerta que permita laregulación general del caudal. La regulación más afinada se hará a través de unvertedero que se colocará muy cerca de la entrada del filtro. En esta compuertadeberá haber un conducto de rebose (una tubería u otro pequeño conducto) paradesviar el agua en exceso. Este pequeño conducto deberá estar conectado con elconducto de rebose que devuelve el agua no usada al río después de que esta harebosado sobre el filtro (véase la figura 2).

Si el diseño implica el uso de tuberías, el caudal se deberá controlar através de una válvula colocada en el conducto de la entrada principal (controlgeneral) y la otra cerca del filtro (regulación afinada).


La manera más fácil y adecuada de medir el caudal, ya sea en un canal oen una tubería, es a través de un vertedero independiente. Si se usa una tubería,esta debe tener entrada a un conducto en un punto anterior al de la entrada deagua en el filtro. En este conducto se debe instalar el vertedero.

La mejor opción es el vertedero con escotadura en V. Se trata de una placacon una escotadura en V de 60 grados, colocada perpendicularmente al flujo yaguas abajo de la compuerta de control del caudal. El caudal se determina conuna regla para medir en centímetros la profundidad del agua que rebosa por laescotadura. La figura 3 ilustra la escotadura y una curva de calibración para obtenerel caudal. Este también se puede medir con la ecuación matemática incluida en lamisma figura.

Para el segundo caudal (el caudal del filtro), debe haber un medidor deefluente instantáneo y otro volumétrico. Estos dispositivos están disponibles envarios modelos y todos son recomendables.

11. CÁMARA DE ENTRADA Y DE DISIPACIÓN

A pesar de que algunos filtros construidos en Argentina tenían una caja conuna pantalla antes del propio filtro, la mayoría de las unidades se basaron en undiseño original que permite la entrada del agua al filtro a través de diferentesáreas: el conducto de entrada, después de una transición y, finalmente, una zonade disipación de energía.

La figura 4 muestra este esquema típico. La idea es disipar la energía ypermitir una distribución homogénea del agua cuando esta comience a lavar lasuperficie de arena.

La investigación determinó que el sistema del CSIR era menos eficienteque la cámara con una pantalla, denominada caja con pantalla o cámara dedisipación (véase la figura 5).

El diseño y construcción de esta caja con pantalla es más simple y lasinvestigaciones han demostrado su gran valor como disipador de energía. Además,otra ventaja importante es que funciona como un tanque de sedimentación, yaque ayuda a evitar la obstrucción rápida del filtro (por ello, se debe prever laposibilidad de descargar los sedimentos a través de una salida en la parte inferiorcontrolada por una válvula).

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La profundidad y ancho de la cámara son las mismas que las del filtro. Lalongitud debe ser de 1/5 del filtro y esta caja debe tener una pantalla verticalopuesta a la dirección del flujo.

La pantalla se debe colocar a 2/5 de la longitud total de la caja (medida apartir del punto en el que el agua entra en la unidad). Esta debe tener una aberturaen la parte inferior para que el agua pase por debajo de ella. Este pasaje libredebe tener 1/3 de la altura del lecho del filtro.

La pantalla puede ser de cualquier material, por ejemplo, una plancha ouna placa de asbesto corrugada. Si se construye con ladrillos y argamasa puedetener una vida más larga y necesitará menos protección.

12. EL FILTRO

Los diferentes elementos que constituyen el filtro se van a tratar por sepa-rado. Estos incluyen: los vertederos, la cámara de recuperación de arena, la cajadel filtro, el sistema de drenaje, el conducto del agua que rebosa y el sistema decontrol del agua filtrada.

12.1 Vertederos

Los vertederos son importantes por dos razones:

· El vertedero de entrada sirve para distribuir un flujo homogéneo en el lechofiltrante.· La diferencia de altura entre el vertedero de la entrada y el del final del filtrodeterminará la pendiente del lecho filtrante.

La arena se debe nivelar a partir de la altura de ambos vertederos. Algunasveces la diferencia entre los dos será de unos cuantos milímetros.

Para evitar la pérdida de arena, como se explicará a continuación, hay unacámara o caja que interceptará la arena que se escape del filtro. Una vez quepase por esta cámara, el agua que rebosa saldrá de la caja del filtro.

Luego, se deben colocar tres vertederos: uno en la entrada; otro al final dellecho del filtro, entre esta y el área de recuperación de arena (vertedero de control


del nivel) y, por último, el tercero por donde sale el agua de la caja de agua(vertedero de rebose); véase la figura 6.

Los vertederos son fáciles de hacer, instalar y manipular. Si bien hay variasmaneras de hacerlo, la más práctica es la siguiente:

Vertedero de entrada:

· El vertedero de entrada se debe fijar en la pared de la cámara dedisipación.

· Se debe colocar en la pared que separa la cámara de disipación dela caja del filtro, pero del lado del filtro y “sumergido” en la arena.Esta pared debe tener cinco centímetros menos de altura que el nivelesperado del lecho de arena.

· El vertedero debe correr a lo largo del ancho del filtro (de lado a lado).

· Se debe colocar de modo que 25 centímetros queden dentro de laarena (véase la figura 7). Esto permitirá que se pueda levantar, bajary nivelar fácilmente al jalarlo o empujarlo desde arriba.

· La nivelación de este vertedero es muy importante. Por ello, susuperficie debe ser lo más lisa y homogénea posible.

· El material más recomendable es el hierro. Se recomienda aceroinoxidable o hierro pintado, con un espesor de tres a siete milímetros.

Segundo vertedero (el que controla el nivel)

· Junto con el vertedero de la entrada, el segundo vertedero va acontrolar la pendiente del lecho filtrante y, como se ha dicho, se colocafrente al área de recuperación de arena.

· El área de recuperación de arena debe ser un tipo de caja que secoloca en la última parte del filtro.

· Al igual que en el vertedero de entrada, la parte superior de la paredde esta caja debe estar aproximadamente cinco centímetros debajodel nivel del lecho de arena.

· El vertedero se debe insertar dentro de la arena, obviamente al ladodel filtro. Debe tener las mismas características que las del vertederode entrada.

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· Por razones prácticas, la altura de la pared entre la cámara dedisipación y el filtro y la altura de la pared entre la última parte delfiltro y la caja de recuperación de arena pueden ser las mismas.· La pendiente del filtro, determinada por la diferencia de niveles de altu-ra, se puede manipular a partir de las distintas alturas de los vertederos.

El último vertedero (de rebose)

· El último vertedero de rebose se debe hacer con el mismo material ydebe tener las mismas dimensiones que los otros dos.· Este vertedero no se insertará en la arena sino que se fijará en lapared de salida del filtro con tornillos y tuercas.· Debe tener dos ranuras en cada lado para que se pueda nivelar.Esta característica es la única diferencia entre este y los otros dosvertederos (véase la figura 8).· La altura adoptada para el vertedero de salida es aproximadamente10 centímetros menor que la del vertedero de control. Esto esimportante cuando se requiere agitar el agua para sacar la arena dela cámara de recuperación de arena. De este modo, la turbulenciaque se inicie no creará disturbios en el lecho filtrante.

12.2 Cámara de recuperación de arena

Como la arena tiene aproximadamente la misma altura que el vertedero,normalmente se pierde un poco de arena al final de la superficie del filtro, ya seapor la capacidad de acarreo del agua o por las actividades de limpieza.

Para resolver este problema, en la última parte del filtro se crea un “área derecuperación de arena”. La arena que pasa por el vertedero de control de nivel,que normalmente se perdería, se acumula en esta área y se puede recolectarfácilmente a través de una simple válvula.

Esta área de recuperación es, en realidad, una zanja con una longitud de1/5 de la longitud del filtro y una profundidad de 0,5 metros.

Se debe prever una pequeña área de recolección cerca del filtro y en lasalida de drenaje de esta cámara. La arena se puede recolectar allí mientras sedrena el agua.


12.3 Caja del filtro

La caja del filtro contiene el medio filtrante. Si bien esta es la parte principaldel sistema, es el elemento más simple de todos. El tamaño de la caja debe tenerla capacidad suficiente para contener el sistema de drenaje, el lecho filtrante y laaltura de agua sobre el lecho (carga hidráulica). El borde libre debe tener 0,2metros.

La limpieza de un fd es muy diferente a la de un fla. En un fla, las capassuperiores de arena se raspan y se retiran, con lo que se disminuye la altura totaldel lecho. En el caso de limpieza de un fd, se pasa un rastrillo sobre la superficiey normalmente no hay pérdidas. No obstante, si se perdiera un poco de arena, serecolectará rápidamente en la caja de recuperación de arena y luego se colocaránuevamente en el lecho filtrante. De cualquier modo, las variaciones de los nivelesde arena en un fd son mínimas. Por razones prácticas, la altura del diseño para laarena siempre debe ser siempre constante. Esta es otra ventaja en comparacióncon los fla, ya que al rastrillar la arena sucia, la altura del lecho de un fla va adisminuir hasta en 0,6 metros. Tales filtros deben medir al menos 0,6 metros másque un fd normal.

El primer parámetro del diseño debe ser la razón largo/ancho. En la literaturaoriginal se ha fijado una razón de 5:1. Esto se debe a que si el filtro tiene laconfiguración de un canal, se espera una distribución más homogénea del flujocruzado de agua (lo cual es obvio ya que la altura del agua sobre el lecho filtrantees muy pequeña) y menos corto-circuitos. Otro motivo es que con la razón de 5:1,el filtro sería suficientemente estrecho para que cualquier parte de su superficiese pueda alcanzar fácilmente desde ambos lados.

Las experiencias prácticas en Argentina han demostrado que los filtros conrazones de 3:1 pueden funcionar adecuadamente. No obstante, este debe ser ellímite, ya que una superficie más cuadrada causará un corto-circuito en el agua.

También se hicieron tentativas para aumentar la razón y se llegó incluso a9:1. Esto tampoco es recomendable, ya que los residuos y las partículas ensuspensión tendrán que ser expulsados a una distancia muy grande.

Cuando los filtros se construyeron en conductos muy largos con razonesmayores de 6:1, se observó que las primeras partes del filtro quedaban más suciasen comparación con las últimas (es decir, las primeras partes quedan sucias más

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rápidamente que las últimas). Por estos motivos, la razón largo: ancho recomen-dada debe ser:

Razón largo: ancho para el filtro 3:1 a 6:1

La elección debe permitir que el rastrillo de madera llegue al centro del filtropor ambos lados.

La caja debe ser de piedra, de ladrillo o de hormigón armado. El hierropintado se puede usar para los tanques más pequeños.

12.4 Sistema de drenaje

El sistema de drenaje sirve para mantener el lecho filtrante sin pérdida delmedio. Debe permitir el paso del agua con la menor pérdida de carga. Existen trestipos diferentes de drenes para los filtros rurales. El primer sistema se hace contubos, el segundo con ladrillos o bloques y el tercero, directamente con piedras ograva. Los tres sistemas se describen a continuación.

Drenaje con tubos: De acuerdo con el tamaño del filtro, se puedenconformar varias disposiciones con tubos de PVC o de polietileno. La formamás simple consta de un recolector principal o múltiple que corre a lo largodel filtro en la misma dirección del flujo cruzado y tiene tuberías perforadaso ranuradas laterales. La figura 9 ilustra este tipo de matriz. Las tuberíaslaterales deben ser lo suficientemente largas para alcanzar la pared lateraldel filtro. Las ranuras deben cubrir la mitad del tubo. Existen dos posibilidadespara ubicar las ranuras: por encima (mirando hacia arriba) o por debajo(mirando hacia abajo). La experiencia ha demostrado que cualquiera deestas soluciones es apropiada y permite un funcionamiento adecuado.

Las recomendaciones prácticas para el diseño de estos sistemas son lassiguientes:

Las tuberías laterales deben estar espaciadas homogéneamente a lo largodel filtro y, como se ha indicado, deben tener ranuras o agujeros.

Distancia entre las tuberías laterales: 0,5 – 1,5 mDiámetro de los agujeros: 2 – 3 mmAncho de las ranuras: 1 mmVelocidad en los agujeros o ranuras: 0,3 – 1 m/s


El último parámetro se refiere a la velocidad del agua al pasar por todos losagujeros o ranuras. El caudal que pasa a través de ellos debe tener elmismo valor obtenido con la tasa máxima de filtración (tasa de filtraciónteóricamente calculada o tasa de filtración con el filtro limpio, que significanlo mismo).

El número de laterales y la distancia entre estas, así como el número deranuras o agujeros, se debe obtener con estos parámetros (véanse losejercicios). El tubo de drenaje se debe cubrir con grava.

Drenaje con ladrillos o bloques. El esquema es muy simple cuando seusan bloques o ladrillos. La base se debe hacer con ladrillos apilados, bloquesde concreto o concreto poroso. Los ladrillos o bloques se deben colocar demanera que el espacio entre los ladrillos adyacentes no sea mayor que eltamaño del medio de soporte inmediatamente encima de ellos. La estructurade soporte es una serie de hileras del mismo material, en el caso de ladrilloso bloques, colocados de modo que se obtenga un drenaje lateral queconduzca a un gran recolector central. Estas hileras deben estar espaciadasde tal manera que permitan sostener los tipos de ladrillos o bloques que seencuentren sobre ellas. Por lo general el recolector se conecta a la cámarade agua filtrada a través de un orificio o tubería. Si el área por donde va acorrer el agua es bastante extensa, no es necesario hacer ningún cálculo.

Drenaje con piedras o grava. Para el tercer tipo de drenaje, es decir,cuando se usa piedra triturada o grava, solamente se debe colocar uno deestos materiales como capa de fondo. El área máxima sugerida para unfiltro que use este sistema de drenaje es de 25 m2.

Las características del medio deben ser:

Diámetro de grava o piedra 25 – 50 mmAltura del lecho de grava o piedra 0,15 m

12.5 El conducto del rebose

El flujo cruzado no usado deja la superficie al rebosar por el último vertederoy regresa al río de donde fue obtenido. Este rebose puede correr libremente porlas paredes del filtro. Esto quiere decir que hay una caída de aproximadamenteun metro (la carga de la superficie de arena hasta el fondo del filtro). Si hubiera un

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gradiente suficiente para que el agua regrese al río fácilmente, este sería la mejoropción y la más económica.

Si el gradiente no fuera suficiente, el flujo de rebose se deberá descargaren un canal, ubicado aproximadamente 0,2 m debajo del último vertedero. El canal,al estar en un nivel más alto que el fondo del filtro, pierde solamente de 0,2 a 0,3m de carga hidráulica. El agua regresará al río por este conducto, lo cual es similaral conducto de entrada. Para calcularlo se debe seguir el mismo procedimientoque se siguió en el caso del canal de entrada.

12.6 Sistema de control del agua filtrada

Se recomiendan dos maneras de controlar el agua filtrada (es decir, el aguaque sale del filtro a través del sistema de drenaje). La primera trata de conectar eldrenaje directamente a un tubo que conduce el efluente hacia un reservorio.

De no haber limpieza, se acumula lodo en el filtro y la pérdida de cargaaumenta. La tasa de filtración disminuye y por ello este tipo de distribución sellama filtración con tasa decreciente.

En este conducto se debe colocar un tipo de medidor de caudal paramonitorear la disminución de la tasa de filtración. También se debe instalar unaválvula o registro de muestreo. La tasa de filtración se debe recuperar después decada limpieza y si el filtro se opera adecuadamente, con limpieza diaria, lasvariaciones deben ser mínimas.

La segunda manera consiste en construir una pequeña caja fijada al filtro.Esta caja recolecta el agua que proviene del sistema de drenaje después de pasarpor un regulador de caudal.

El regulador de caudal mantendrá la tasa de filtración al absorber la pérdidade carga. Por lo general, este regulador es una boya con un orificio o entrada.Esta entrada tiene una carga constante, que es la distancia entre la superficie delagua y el orificio. A medida que la altura del agua en la caja cae lentamente, lacarga del filtro disminuye, lo que hace que la boya baje de nivel. Sin embargo, ladistancia entre la superficie del agua y el orificio sigue siendo la misma.

La figura 10 muestra un regulador de este tipo (véase también la parte defotografías).


Según la experiencia de la OPS/CEPIS, este tipo de regulador no es el másadecuado ya que no siempre funciona correctamente y los técnicos de laOrganización sostienen que es “vulnerable en áreas rurales”. A esto se suma laexperiencia personal del autor, quien también detectó problemas con losreguladores de boya.

Este manual se concentra principalmente en la experiencia argentina y estosúltimos reguladores se han incluido en el documento porque, según los operadoresde las plantas de tratamiento de los 15 servicios visitados en los estados deCatamarca y La Rioja solamente uno de los reguladores estudiados “se trababaocasionalmente”. En los demás casos los reguladores habían operado por añossin ningún inconveniente. Evidentemente, el diseño y construcción adecuadosson la clave de su éxito y funcionalidad.

13. LECHO FILTRANTE

Cabe observar que si se eligen bien las capas de soporte y de filtración, lacalidad del agua será buena. Además, impedirán que las sustancias se compactenen el fondo hasta un nivel en el que no se puedan retirar fácilmente con la limpiezanormal del filtro.

Para determinar el tipo de lecho que se va a usar, se pueden aplicar variasteorías. Las más conocidas son las de Hazen, la de Bellamy y la de Huisman-Wood. No obstante, por razones prácticas se pueden hacer algunas aproxi-maciones en áreas rurales sin que se pierda mucha precisión en el resultadofinal. Estas aproximaciones se deben hacer principalmente en las capas desoporte.

13.1 Lecho de soporte

El “soporte” se refiere a los diferentes materiales que se colocan debajo delelemento filtrante efectivo, el cual es el medio más fino, donde se retienen laspartículas y destruyen los microorganismos.

Por razones prácticas, el medio de soporte se puede hacer con cuatrocapas de grava y de arena gruesa con las características que se muestran en elcuadro 2.

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Cuadro 2. Características del lecho de soporte

Capa Tipo Diámetro de la Espesor de lapartícula (mm) capa (mm)

Superior Arena gruesa 1 – 2 50Segunda Grava fina 2 – 5 50Tercera Grava 5 – 10 50Inferior Grava gruesa 10 – 25 150

TOTAL 300

13.2 Lecho filtrante de arena

En relación con el lecho filtrante, en esta guía técnica se recomienda elegiradecuadamente la arena a través de un análisis de cribado. Este, por ser eficiente,se debe realizar siempre que las condiciones y costos lo permitan. Una alternativasería adoptar un enfoque más informal y usar la arena del río, disponible en ellugar, sin cribado, como se ha hecho frecuentemente.

Para explicar el alcance del análisis de malla recomendado, es necesariodiscutir la teoría de Hazen. En 1913, este científico realizó un estudio de lascaracterísticas de la arena como medio filtrante. Era necesario especificar losparámetros responsables del funcionamiento adecuado del filtro.

El primer concepto que abordó fue el de la distribución del tamaño de losgranos. En una muestra de arena hay granos de tamaños diferentes y el análisisde la distribución de los tamaños se hace pasando la muestra a través de unaserie de mallas estándares. Esto permite que el investigador diseñe una curvacon la distribución de los diferentes diámetros de la muestra. Esta curva se diseñaen papel logarítmico, donde el eje ‘x’ representa el tamaño de la malla (diámetrodel grano) y el eje ‘y’, el porcentaje (peso) de los granos que pasan por ese tamañoespecífico de malla.

El segundo concepto es el de tamaño efectivo (d10). De la curva mencionadaanteriormente, se obtiene el tamaño de la abertura de la malla (diámetro del grano)a través de la cual solamente pasa 10% de la arena (en peso).


El tercer concepto es el del coeficiente de uniformidad (CU), el cual es larazón entre el tamaño del grano que tiene 60% de la muestra y el tamaño delgrano que tiene 10% de la muestra. Es decir, una razón: d60/d10.

Un ejemplo de esto se puede ver en la figura 11.

La figura 12 presenta un análisis de malla que se puede usar para determinarla calidad de la arena disponible.

En relación con el diseño de un fd, los valores recomendados para los dosparámetros son:

Tamaño efectivo d10 0,15 – 0,45 mmCoeficiente de uniformidad (CU) 1,5 – 4,0

El último parámetro necesario para el diseño del lecho filtrante es laprofundidad (véase el documento (6)).

Profundidad del medio filtrante 0,5 – 0,7 m

14. RESERVORIO

Se va a decir poco sobre el reservorio. Esta guía técnica se centra princi-palmente en el fd y los reservorios y tanques de agua se consideran sistemasauxiliares.

Existen muchas publicaciones que explican cómo construir reservorios. Sibien es probable que el sistema diseñado no prevea estos elementos, se sugierecolocar de todos modos un reservorio entre el filtro y el sistema de distribución.

El reservorio funcionará como un “pulmón” que permitirá que se diseñe elfiltro con un valor de consumo promedio en lugar de un valor de consumo pico.Además, si la desinfección se realiza con un compuesto de cloro, el reservoriopropiciará el tiempo de retención necesario.

Existe una teoría relativamente simple que trata sobre el valor del volumendel reservorio y considera los patrones de consumo, los volúmenes acumulados,etc. Un enfoque aún más práctico y menos complicado, usado en muchos países

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del tercer mundo, es el propuesto en el documento técnico N.º 11 (7) del IRC. Estemismo enfoque es el que se sugiere en esta guía y es el siguiente:

“El volumen del reservorio debe ser 50% del volumen diario de laproducción de agua filtrada”.

15. DESINFECCIÓN

Si un filtro dinámico se diseña, construye y opera adecuadamente, se puedeesperar que haya suficiente reducción del contenido de bacterias y virus con unbuen margen de seguridad para los usuarios.

Miles de fla operan en áreas rurales de los países en desarrollo sin ningunadesinfección posterior. No obstante, es importante destacar que contaminacionesexageradas, una operación descuidada y cualquier contaminación posterior a lafiltración, hacen necesaria la desinfección como medida preventiva.

Si el filtro presenta problemas de contaminación debido a su operación ymantenimiento inadecuados, también es probable que la desinfección se realicede manera inadecuada.

Esta guía recomienda que, siempre que sea posible, se prevea un buensistema de desinfección. Existen algunos métodos que se pueden usar en áreasrurales, ya sea con compuestos de cloro o, mejor aún, sin ellos.

Actualmente, la producción de hipoclorito en la misma área, los sistemasMOGGOD y la radiación ultravioleta se consideran muy adecuados para el área rural.Son simples, confiables, económicos y solo requieren productos químicos simples.

Para obtener información sobre los sistemas y las técnicas detalladas dedesinfección del agua en áreas rurales, se recomienda consultar cualquier guíatécnica sobre el tema. Véase el ejemplo (8) ó el (15).

16. ELEMENTOS DEL DISEÑO

En esta parte se describen algunos conceptos básicos. También se abordala teoría de la hidráulica elemental necesaria para el diseño de un fd. Esta parte


complementa las descripciones y explicaciones de las secciones anteriores y sirvede soporte teórico, matemático y de ingeniería para el ejercicio del diseño.

También se presentan algunos parámetros de diseño que todavía faltan. Elcuadro completo aparece en la sección de ejercicios de diseño, que es la aplicaciónpráctica a través de la cual se da un ejemplo al usuario de esta guía.

16.1 Población servida

Esta sección, así como la siguiente, provee la información necesaria parael cálculo de la demanda diaria de agua de una determinada comunidad. Loscálculos utilizados para determinar la demanda de agua de un pueblo se basanen la población futura. La vida útil de un sistema de abastecimiento de agua parauna comunidad debe ser de 10 a 25 años. La elección de la vida útil para elsistema depende de los criterios del diseñador sobre el futuro desarrollo del pueblo.Para un área remota es mejor calcular una vida útil de 25 años. En caso de que seprevea un crecimiento inminente, se deberá emplear un periodo más corto. Estose debe a que el futuro de la población es imprevisible.

La proyección de la población es el número de habitantes que la comunidadtendrá en el futuro, considerada la tasa de crecimiento de una determinada área.La tasa de crecimiento o la tasa promedio de crecimiento anual se debe obtener através de las autoridades locales, trabajadores locales del área social, etc.

El cuadro 3 muestra el crecimiento de la población en porcentuales condiferentes tasas de crecimiento.

Cuadro 3. Proyección de crecimiento de la población

Tasa de crecimiento Aumento porcentual por añospromedio anual (factor de crecimiento)

Años10 15 20 25

1,0 1,11 1,17 1,23 1,301,3 1,13 1,20 1,28 1,361,6 1,18 1,27 1,38 1,482,0 1,22 1,35 1,49 1,583,0 1,34 1,56 1,81 1,99

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La elección del criterio del diseñador lleva a estimar la población durante elúltimo año del periodo escogido como vida útil. El número de habitantes sedenominará población de diseño o población futura.

La población futura es la población actual más el aumento porcentual enel periodo de años elegido.

Población futura = Población actual x Factor de crecimiento (1)

16.2 Demanda de agua

Si nos basamos en el consumo diario individual, es difícil conocer lacantidad exacta de agua que usará la población de un determinado pueblo. Si laspersonas tuvieran que recolectar agua de una fuente próxima, localizada a 50 mdel hogar, el consumo diario individual probablemente sería de 25 a 50 litros. Noobstante, el consumo aumentaría si el acceso fuera más fácil. Si se tuviera unaconexión domiciliaria, el consumo sería entre 100 y 120 litros de agua diarios porhabitante.

Según la Organización Mundial de la Salud, si no hay un valor para unadeterminada área, se deberá considerar un consumo individual diario de 45 litrosde agua.

Cuadro 4. Necesidad de agua en áreas rurales

Instalación Uso típico del agua

Escuela 10 – 30 l/estudiante x díaEscuela con internado 40 – 80 l/estudiante x díaCentro de salud (sin camas) 2.500 l/díaHospital 200 – 300 l/camaEstación de tren y buses 15 – 20 l/usuario x díaGanado

Vacuno 25 – 35 l/cabeza x díaCaballar 20 – 25 l/cabeza x díaPorcino 10 – 20 l/cabeza x díaOvino 10 – 25 l/cabeza x díaProducción avícola 15 – 25 l/100 aves x día


El diseñador deberá tener en cuenta las condiciones locales, los usos, lasexpectativas, etc., ya que estos factores pueden determinar otros valores deconsumo diario. Además, también se deben considerar las necesidades espe-ciales de otras instalaciones del pueblo como escuelas, centros de salud, etc. Elcuadro 4 muestra valores típicos para diferentes usos en el medio rural.

16.3 Volumen de agua filtrada – caudal diario

El filtro debe producir la cantidad de agua que será necesaria al final de lavida útil del sistema. La necesidad diaria total de agua del pueblo será la sumatoriade la demanda diaria de la población futura más la demanda de las necesidadesespeciales, según lo proyectado para el final del periodo de diseño.

El volumen de agua que el filtro tendrá que producir por día se denominacaudal diario.

Caudal diario = Población futura x Consumo diario individual+ Necesidades individuales

(2)

Caudal diario = m3/díaPoblación futura = Número de personasConsumo diario individual = m3/persona x díaNecesidades especiales = m3/día

El caudal diario dividido por 24 es el caudal total del filtro que se expresaen m3/hora.

16.4 Tasa de filtración

Para determinar la superficie del filtro se requiere, en primer lugar, determi-nar la tasa de filtración.

La tasa de filtración (o velocidad de filtración) es el caudal de agua quese filtra por unidad de área. Los valores que este parámetro puede adoptar hansido ampliamente estudiados y determinados. La tasa de filtración cubre una fran-ja estrecha. Los filtros lentos de arena pueden filtrar agua con una tasa que oscilaentre 0,1 y 0,35 m3/ m2 x hora (o m/h).

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Estos valores corresponden a una operación buena y confiable del filtro.Esto, a su vez, significa que el filtro destruirá los microorganismos y retendrá laspartículas que causan turbiedad. Es probable que los valores más altos no permi-tan una desinfección apropiada. Si bien se pueden usar valores más bajos, estosno traerían beneficios adicionales y aumentarían el costo de la construcción yaque los filtros tendrían que ser más grandes para filtrar la misma cantidad de agua.

Los valores citados anteriormente también se aplican a un filtro dinámico.Sin embargo, se recomienda reducir el límite superior (máximo) a 0,3 m/hora.Esto asegura un desempeño óptimo y provee un margen de seguridad extra.

Tasa de filtración = 0,1 – 0,3 m3/ m2 x hora

16.5 Tasa: Flujo cruzado/Flujo de filtración

En este punto hay un parámetro importante que se debe discutir: la razónentre el flujo cruzado y el flujo de filtración. Según los trabajos rusos y argentinosesta razón es de 10:1.

La idea inicial era que el flujo cruzado fuera lo suficientemente fuerte paraempujar las partículas hacia el lado opuesto de la entrada y luego arrojarlas en elrebose que regresaría al río. También se incluía el concepto de que la limpieza sedebería hacer cuando la pérdida de agua fuera máxima, probablemente de 0,4 a0,6 m. Se pensaba que esto se alcanzaría después de varias semanas o meses,como en el caso del fla.

Por el contrario, la experiencia práctica muestra que la limpieza que sehace pasando un rastrillo sobre la superficie es una operación muy simple que nodemanda mucho tiempo. Se puede hacer diariamente sin ningún problema.

La afirmación de “esperar hasta alcanzar la pérdida máxima de carga” notiene sentido y, en la práctica, una limpieza diaria o cada dos días permitereestablecer la carga inicial y recuperar diariamente la tasa de filtración.

Esta nueva visión de la operación permite razones menos rigurosas, yaque la superficie siempre estará limpia. Además, se puede observar que la veloci-dad del agua es más importante que esta razón y que se puede obtener la veloci-dad necesaria con flujos cruzados aún menores.


Para efectos del diseño, el límite inferior para la razón mencionada se de-termina en 5:1. Si hubiera agua suficiente, como es el caso de muchos ríos demontañas donde hay una pendiente lo suficientemente acentuada, no habrá mo-tivo para limitar el caudal que se pueda usar como flujo cruzado. La decisiónsobre dónde establecer el límite se debe basar más en cuestiones logísticas (eltamaño del conducto de entrada, costos de vertederos y compuertas más gran-des, etc.) que en cualquier otro parámetro.

Cuando hay posibilidades de tener caudales mayores, se puede jugar conotros parámetros como el gradiente y la velocidad. Los estudios desarrollados enel CSIR indican que es posible un límite superior de 15:1 (para la razón flujocruzado/flujo de filtración).

Entonces,

Razón flujo cruzado/flujo de filtración = 5:1 a 15:1

16.6 Número de filtros

Normalmente, un sistema de filtración lenta de arena tiene al menos dosunidades paralelas. Esto permite la continuidad del abastecimiento de agua, in-cluso cuando uno de los filtros tenga algún problema.

Entonces,

Número mínimo de filtros = 2 unidades.

16.7 Área total del filtro

El área del filtro se puede obtener del caudal de agua en (m3/hora) y de latasa de filtración.

Área total del filtro = Caudal total del filtro(3)

Tasa de filtración

Área total del filtro = m2

Caudal = m3/horaTasa de filtración = m3/m2 x hora

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16.8 Área del filtro de cada unidad

Es importante individualizar el área del filtro de cada unidad (Af), ya queestos filtros se diseñan como elementos unitarios.

Af = Área del filtro de cada unidad = Área total del filtro (4) Número de filtros

Af = m2

16.9 Caudal del filtro

El caudal del filtro es el caudal destinado a cada filtro. Es una herramientaútil junto con el área del filtro de cada unidad, ya que si bien los filtros son exacta-mente iguales, estos se diseñan de manera independiente.

Caudal del filtro = Caudal total del filtro (5) Número de filtros

Caudal del filtro = m3/horaCaudal total del filtro = m3/hora

16.10 Caudal total

El caudal total (Qt) es la cantidad total de agua que se va a tomar del río.

Una vez que se conoce el flujo diario, que se ha elegido la razón adecuadaflujo cruzado/flujo de filtración y que se ha decidido el número de filtros que tendráel sistema (que normalmente es 2), se puede obtener fácilmente el caudal.

Qt = Caudal total = Caudal diario + R x Caudal diario (6)

R = Razón flujo cruzado/flujo de filtración(si la razón fuera 8:1, entonces R=8)

Flujo total = m3/díaFlujo diario = m3/día

Como se ha definido, el flujo total se expresa en m3/día. No obstante, cuan-do se divide entre 24 se expresará en m3/hora.


16.11 Caudal de diseño

El caudal de diseño es el valor del caudal que se usa para hacer todos loscálculos de diseño de cada filtro (individualmente).

Caudal del diseño = Caudal total (7)Número de filtros

Las unidades del caudal de diseño dependen de las unidades usadas parael caudal total. Se expresan en m3/día ó m3/hora.

16.12 Relaciones hidráulicas importantes

En este punto, es necesario abordar brevemente algunos conceptos bási-cos de hidráulica a fin de definir varios parámetros que serán útiles para diseñardiferentes elementos del sistema.

En esta sección se discuten la velocidad del agua, la carga hidráulica en lasuperficie del filtro o en el canal y la pendiente de la superficie del lecho filtrante odel fondo del conducto.

Son varias las fórmulas que describen el comportamiento del flujo de aguaen un canal. En este documento se empleará la fórmula de Manning ya que es lamás usada. Esta fórmula empieza con la definición de la velocidad del agua enun canal y se puede usar tanto en el diseño del canal de entrada cuanto en eldiseño del filtro, ya que la superficie de arena y el borde libre del filtro se puedenconsiderar como un canal con fondo y paredes ásperas.

V = Rhb x p2

(8) n

v = velocidad del agua = m/segn = coeficiente = 0,03 (para un canal con paredes verticales hecho con

argamasa. Este valor también se usará para el canalque forma el mismo filtro).

Rh = radio hidráulico = mp = pendiente = (m/m) = adimensional

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El radio hidráulico (Rh) es el cociente entre el área a lo largo de la cualfluye el agua (A) y el contorno del canal que está en contacto con el agua (lo quese denomina perímetro mojado) (Pm).

Rh = A (9) Pm

donde:

A = m2

Pm = m

El perímetro mojado es el segmento abef en la figura 13 o:

Pm = W + 2 x h (10)

donde:

W = mh = m

También de la figura 13, el radio hidráulico es:

Rh = W x h (11) W + 2 x h

Con estas definiciones, la velocidad será:

v = 1( W x h b p2 (12) n W + 2 x h)donde:

v = m/segn = 0,03W = mh = mp = adimensional

Si se cambiaran los términos, la pendiente se podría expresar de la si-guiente manera:


p = v2 x n2

( W x h b (13) W + 2 x h)

Los valores extremos para la velocidad (v), pendiente (p) y carga hidráulica(h) en la superficie del filtro que puede tolerar el diseño de un fd se mencionan acontinuación. En cierta manera, estos valores difieren de los originales y se ba-san en la experiencia adquirida por el CSIR durante la fase de investigación quellevó a la publicación de esta guía. Además, se estiman los valores de la veloci-dad para la arena con las características recomendadas en esta guía.

0,05 m/seg < v < 0,20 m/seg0,1% < p < 2,5%

h 10 mm

16.13 Canal de entrada

Como se dijo en la sección 9 (sobre el canal de entrada), la mejor manerade desviar el agua del río es a través de un canal.

Con el valor del caudal total (la cantidad máxima de agua que se va a tomardel río), se sigue la siguiente lógica:

Si:

Qt = Caudal total

En primer lugar, se elige cualquier valor (Wc) para el ancho del canal.Luego: Wc = ancho del canalLa velocidad del agua en el canal (vc) debe ser:

6,0 m/seg > vc > 0,5 m/seg

A una velocidad mayor de 6 m/s en un canal de concreto se puede esperaruna erosión, (Kennedy) (9). A una velocidad menor de 0,5 m/s puede ocurrirsedimentación.

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La carga hidráulica en el canal (hw) debe ser:

hw = Qt (14)Vc x Wc

(Observación: hay que considerar las conversiones de las unidades).

El borde libre del canal debe estar aproximadamente 40% sobre la cargade agua.

La altura total de la pared del canal (hc) es:

hc = hw + 0,4 x hw = 1,4 x hw (15)

La ecuación (13) se puede usar para calcular la pendiente del canal.

El valor para la pendiente en un canal de concreto puede tener los siguien-tes valores:

0,1% < p < 20%

La longitud del conducto (Lc) se puede obtener a partir de la ubicación de lacaptación y del filtro (la distancia entre estos elementos).

Una vez que se hayan determinado estas ubicaciones, se debe medir laaltura relativa de ambas. Esta medida servirá para determinar la elevación verti-cal o diferencia de nivel.

La diferencia de nivel entre estos dos puntos es ?Z

? Z = Hi ¯ Hf (16)

?Z = diferencia de nivel entre la captación y el filtro = mHi = altura de la captación = mHf = altura de la entrada del filtro = m

Si se usa el valor de la pendiente, luego:

? Z = p x LC (17)

Lc = longitud del conducto = m


16.14 Conducción por tuberías

Si se elige una tubería para conducir el agua al filtro, el diámetro de estatubería se debe diseñar de la siguiente manera:

La velocidad (vp) en un tubo de plástico debe ser:

3,0 m/seg < vp < 0,7 m/seg

El cálculo es muy simple, ya que la tubería es relativamente corta y el aguase descarga libremente a la atmósfera. El caudal dentro del tubo se denomina“caudal natural” y es el caudal máximo que se puede mover por gravedad. Elcaudal natural se puede controlar mediante el diámetro de la tubería.

El valor del caudal es el mismo del caso anterior: el caudal total (Qt).

El procedimiento es el siguiente: primero se determina la pendiente (p).Esta se puede obtener a partir de la elevación vertical entre la captación y el filtro(? Z) y de la longitud de la tubería (Lp).

p = ? Z (18) Lp

donde:

p = (m/m) adimensional?Z = mLp = m

La tubería introducirá un factor de fricción que, a su vez, producirá unapérdida de carga, denominada en este caso pérdida de carga por fricción o factornatural de fricción (K).

K se define como:

K = p x 100

K = m/100 m de tubería

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Con el nomograma presentado en la figura 14 (extraído de (10)), que co-necta el valor obtenido del caudal de la columna correspondiente con el valor dela pérdida de carga, se obtendrá el valor del diámetro interno. Se deberá verificarsi el valor de la velocidad está dentro de los valores estipulados.

16.15 Características de la caja del filtro

Como se dijo anteriormente, cada unidad se diseña individualmente. Lalongitud (L) y el ancho (W) se obtienen de la siguiente manera:

En primer lugar, el diseñador elige la relación L/W, que se denomina “N”.

N = L (20)W

donde:

L = mW = m

Se conoce el área de cada filtro y se denomina el “área de filtro de cadaunidad” (Af) (véase la ecuación 4).

Para obtener L y W se puede usar la siguiente fórmula:

Af = L x W L = N x W Af = N x W2

(Af 2W = N) (21)

Cabe observar que el valor de la caja de recuperación de arena (que debeser 1/5 (20%) de la longitud del filtro, como se explicó en 12.2) se debe sumar alvalor de L (obtenido en la ecuación anterior). Luego, la longitud total de la caja delfiltro es:

Lf = L x 1,2 (22)

Lf = longitud total de la caja del filtro = m


La pared de la caja del filtro tendrá la siguiente altura:

Hf = HIs + HIf + Hbl (23)

Hf = altura de la pared de la caja = mHIs = altura del lecho de soporte (incluye el sistema de drenaje) = 0,3 mHIf = altura del lecho de arena (filtrante) = 0,5 – 0,7 mHbl = altura del borde libre = 0,2 m

Estos son los parámetros básicos para el diseño de la caja del filtro. Si seconsideran los valores máximos y mínimos que el lecho de arena puede adoptar(0,5 m – 0,7 m), la altura total de la pared de la caja debe estar entre 1,0 m y 1,2m y la carga hidráulica del agua de la caja del filtro entre 0,8 m y 1,0 m.

Esta caja se puede construir en el nivel del suelo o sobre una plataforma.Ninguna de las dos soluciones implicará mayores problemas en la estructura debidoa su limitada altura.

Por lo tanto, se puede hacer de ladrillo o piedra para construcción. La figura15 muestra una pared de construcción simple y fácil, denominada “pared degravedad”. Esta pared es más gruesa en la parte inferior y su propio peso soportala presión que ejerce el agua contra la misma.

Jordan (10) propone un cuadro (cuadro 5) para este tipo de pared, dondeconsidera la carga de agua en el filtro (véase también la figura 15).

Cuadro 5. Dimensiones de la pared de gravedad

Carga de agua Muro de sillares Ladrillos

H A B C A B C

80 65 15 - 60 20 -85 65 20 - 60 25 -90 65 25 - 60 30 -95 65 30 - 55 25 15100 65 25 15 60 25 15

(Todas las unidades están en cm).

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Como base del filtro se puede usar una losa simple, con o sin armazón. Lasparedes de concreto son el tipo de estructura que representará menos problemasen el largo plazo. Si bien son más caras y requieren mano de obra especializada,son las más confiables.

Existe una serie de publicaciones que pueden servir de ayuda para el diseñoestructural, respecto al tipo de argamasa que se va a usar, el tipo de curado yotros elementos de cálculo de un filtro de concreto (11) y (12).

Las estructuras de hormigón armado son otra alternativa para una caja defiltro. La bibliografía especializada para este tema es (13) y (14).

Por último, las cajas de hierro son adecuadas para unidades pequeñas. Sibien pueden ser más costosas, si se pintan con pinturas antioxidantes tienen laventaja de estar listas para su uso inmediato. Los conductos, pantallas, conexiones,válvulas y vertederos se pueden conectar fácilmente a la caja. Los tamañosmáximos están limitados a las posibilidades de transporte.

La caja del filtro debe estar conectada por sobre el nivel del suelo. En algúnpunto sobre la base se debe colocar una válvula que se pueda usar para llenar elfiltro (de abajo hacia arriba) a fin de liberar el aire retenido en la arena o paraayudar a drenar el filtro.

16.16 Cámara de disipación

El diseño de esta cámara es muy simple y está relacionado con lasdimensiones del mismo filtro. Su ancho es el mismo del filtro y su longitud debeser 1/5 de la longitud del filtro.

Cabe recalcar que la única pantalla se debe colocar a 2/5 de la longitud dela cámara (a partir de la entrada del agua) y la abertura de la parte de abajo debeestar a 1/3 de la carga de agua.

16.17 Longitud de la estructura

La longitud de la cámara de disipación no está incluida en el diseño de lacaja del filtro y, por lo tanto, se debe sumar a su longitud total. Es importante


considerar esto ya que si bien la estructura se construirá como una pieza única, lacámara de disipación es en realidad un elemento diferente de la unidad.

Así, la longitud total de la estructura es la longitud total de la caja del filtromás la longitud correspondiente a la cámara de disipación. Como esta longitud esigual a la de la cámara de recuperación de arena (1/5 ó 0,2), la longitud total de laestructura será:

Lest = L + 2 (0,2 x L) ó Lest = L x 1,4 (24)

L = longitud del filtro = mLest = longitud total de la estructura = m

(Observación: para la longitud total de la estructura, también se deberáconsiderar el espesor de las paredes internas, las cuales variarán de acuerdo conel material usado).

16.18 Características de la caja de agua filtrada

El agua filtrada se puede distribuir directamente del filtro (es decir, de lasalida del sistema de drenaje o tubería múltiple) al reservorio o a los usuarios.

Si la limpieza no se hace adecuadamente ni diariamente, la tasa de filtraciónpodrá disminuir ya que el lodo será cada vez más espeso y compacto. La pérdidade carga hidráulica aumentará y, como resultado, la tasa de filtración disminuirá.

Para evitar que esto sea un problema y para enfrentar la pérdida real decarga que se producirá en el largo plazo (véase la sección sobre operación ymantenimiento), se debe construir una caja para el agua filtrada con un controladorde caudal.

Esta caja es un reservorio simple, colocado junto al filtro, con una pared encomún. Su altura debe ser la misma que la del filtro. Debe ser cuadrada y cadalado debe tener aproximadamente de 0,80 m a 1,00 m. El material debe ser elmismo que el de la caja del filtro.

La caja debe tener dos conexiones en la parte de abajo. Una estaráconectada al sistema de drenaje del filtro y la otra al controlador del agua filtrada

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(por adentro) y a la salida del sistema (por afuera). Remítase nuevamente a lafigura 10.

16.19 Controlador del agua filtrada

Se debe usar un controlador de flujo para mantener un flujo constante delagua filtrada.

Para esta finalidad se pueden usar varios tipos de aparatos. No obstante elmostrado en la figura 10 es el más eficiente y fácil de hacer.

El controlador es una boya conectada a un tubo de PVC. Las boyasmostradas en las figuras y fotografías son de PVC. En general, se puede usarcualquier boya que no se oxide fácilmente.

La boya se conecta al tubo de PVC por cualquier medio. Debe haber unespacio de 0,15 m a 0,25 m entre la boya y el comienzo del tubo. Este espacioserá la carga hidráulica que tendrá el agua en la abertura del tubo.

El tubo debe deslizarse por fuera o por dentro de otro tubo semejante que,a su vez, debe ser un poco más grande o más pequeño. Este segundo tubo se fijaen el fondo de la caja y se conecta al exterior. Es la salida del agua filtrada.

La tasa del filtro se controlará a través de la carga hidráulica en el tubo dedeslizamiento y por una válvula en la salida

Inmediatamente después de la válvula de regulación se debe colocar unasegunda válvula. Esta es la válvula de cierre para aislar el filtro del resto del sistema.

16.20 Válvulas

Se deben colocar varias válvulas en diferentes partes del sistema. Paraque el sistema opere, además de las válvulas descritas en esta guía, se debeninstalar válvulas extras para aislar el filtro de todo el sistema y para muestreo.

La figura 16 muestra un conjunto completo de válvulas y sus funciones(regulación, cierre y muestreo).


17. EJERCICIO DE DISEÑO

Para orientar al diseñador a hacer un cálculo real, se presenta el ejemplode una comunidad rural con las siguientes características:

· La población actual es de 500 habitantes con una tasa promedio decrecimiento anual de 1,6. En la comunidad hay un colegio al que asisten200 alumnos por día. Se proveerán filtros dinámicos que usarán agua deun río próximo. Los análisis del agua demostraron que es aceptable paraesta finalidad.

· Se trata de una población rural donde la forma tradicional de obtener agua(el ama de casa carga uno o dos recipientes de agua del río por día) implicaun consumo per cápita muy bajo.

· Debido al hecho anterior y a la falta de recursos, se estima que el consumoindividual diario será de 25 litros. Esto se discutió con los miembros de lacomunidad, quienes aprobaron esa cantidad. La comunidad también estásatisfecha con una vida útil de 20 años para el sistema.

El cálculo empieza con las poblaciones actual y futura.

Población actual 500 habitantesVida útil 20 años

Tasa promedio de crecimiento anual 1,6

Del cuadro 3:Factor de crecimiento de la población en 20 años 1,38

Consumo individual diario 25 l/hab. x día

Con estos datos iniciales, se puede realizar el cálculo.

Población futura:(ec. 1) 500 hab. x 1,38 = 690 hab.

Necesidades especiales:1 escuela = 200 alumnos

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La población futura de la escuela es solo una aproximación, ya que lasescuelas no crecen como las poblaciones, sino en etapas. No obstante, es mejortener un tipo de previsión.

(ec. 1) 200 alumnos x 1,38 = 276 alumnosConsumo de agua por alumno = 20 l/día

Necesidad futura:276 alumnos x 20 l/alumno x día = 5,5 m3/díaCaudal diario (volumen que el sistema producirá/día)

(ec. 2)690 hab x 0,025 m3/hab. x día + 5,5 m3/día = 22,8 m3/día

El caudal diario que se va a adoptar es: 24 m3/día

Caudal total del filtro (volumen que el sistema producirá por hora)

Caudal total del filtro 1 m3/hora

Tasa de filtración supuesta 0,1 m3/ m2 x horaRazón flujo cruzado/flujo de filtración adoptado 10:1

Número mínimo de filtros 2

Área total de filtración (área de la superficie de filtración del sistema):(ec. 3) 1 m3/hora ? 0,1 m3/ m2 x hora = 10 m2

Área del filtro para cada unidad (área de la superficie de cada filtro):(ec. 4) 10 m2 ? 2 = 5 m2

Caudal del filtro (el caudal que procesará cada filtro)(ec. 5) 1 m3/hora ? 2 filtros = 0,5 m3/hora

Caudal total (cantidad total del agua que se va a obtener del río)(ec. 6) 24 m3/día + 10 x 24 m3/día = 264 m3/día

= 11 m3/hora= 3 l/seg


Caudal de diseño (es el caudal usado para hacer los cálculos)

(ec. 7) 264 m3/día ? 2 = 132 m3/día= 5,5 m3/hora= 1,5 l/seg

Caja del filtro

Se le dará una razón de L/W = 5

(ec. 21) L/W = 5 W = (5 m2/5)1/2 = 1 m

Luego: L = 5 mW = 1 m

Las dimensiones de la caja y de la estructura del filtro serán:

Cámara de recuperación de arena

Longitud 5 m x 0,2 = 1 m

Cámara de disipación

Longitud 5 m x 0,2 = 1 m

Longitud total de la estructura

La longitud total de la estructura (longitud que incluye la cámara de disipacióny la cámara de recuperación de arena) se puede obtener por la sumatoria de laslongitudes de los diferentes elementos:

5 m + 1 m + 1 m = 7 m

Y también a través de la siguiente ecuación:

(ec. 24) Lest = 5 m x 1,4 = 7 m

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La altura de la caja se puede obtener de la siguiente manera:

Altura del lecho de soporte 0,3 m

Altura del lecho de arena (adoptada) 0,6 m

Altura del borde libre 0,2 m

Altura de la pared de la caja 1,1 m

Relaciones hidráulicas

El valor adoptado para la carga de agua en la superficie del filtro es:

Carga en la superficie del filtro 15 mm

Perímetro mojado

(ec. 10) Pm = 1 m + 2 x 0,015 m = 1,03 m

Área mojada = W x h = 1 m x 0,015 m = 0,015 m2

Radio hidráulico

(ec. 9) Rh = 0,015 m2 ? 1,03 m = 0,0146 m

Se supone una pendiente de 1% en toda la superficie del filtro

Pendiente de la superficie del filtro = 0,01

La velocidad es:

(ec. 12) v = (1 ? 0,03) x (0,0146)2/3 x 0,011/2 = 0,2 m/segy la misma cae dentro del rango permitido (0,05 a 0,2 m/seg).

La diferencia de altura entre el vertedero de entrada y el vertedero de controldel nivel es:

(ec. 17) ? Z = 0,01 x 5 m = 0,05 m


Sistemas relacionados:

Conducto de distribución:

Caudal total = Qt = 11 m3/hora

El canal tiene un ancho de:Wc = 0,1 m

El agua tiene una velocidad de:vc = 2 m/seg

La carga hidráulica en el canal es:(ec. 14) hw = 11 m3 / hora ? (2 m / seg x 0,1 m) = 0,015 m

(Observación: hay que considerar las conversiones de las unidades).

El borde libre debe ser 40% más alto que la carga de agua en el canal. Noobstante, como el valor obtenido para hw es bajo (solo 1,5 cm), la pared del conductotendrá 0,15 m. Esto se hace para facilitar la construcción.

Para calcular la pendiente en el canal, primero se debe usar la ec. 11 paraobtener el radio hidráulico y luego la ec. 13.

(ec. 11) Rh = (0,1 x 0,015) ? (0,1 + 2 x 0,015) = 0,011 m

(ec. 13) p = (22 x 0,032) ? (0,011)4/3 = 1,45

Como la pendiente excede los límites sugeridos, no es aceptable. Entonces,es necesario realizar una segunda tentativa y cambiar, por ejemplo, la velocidad.La nueva velocidad supuesta deberá ser menor.

vc = 0,5 m/segb = 0,1 m

(ec. 14) hw = 11 m3/hora ? (0,5 m/seg x 0,1 m) = 0,06 m(ec. 11) Rh = (0,1 x 0,06) ? (0,1 + 2 x 0,06) = 0,027 m(ec. 13) p = (0,52 x 0,032) ? (0,027)4/3 = 0,027 = 2,7%

La pendiente del 2,7% es razonable.

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Ahora vamos a asumir que la distancia entre la captación y el filtro esde 30 m.

Es importante verificar la diferencia entre las alturas de las ubicaciones dela captación y del filtro a fin de saber si la ubicación escogida es la adecuada parael sistema.

La diferencia de nivel entre estos dos puntos se puede obtener a través dela ec. 17.

(ec. 17) ? Z = 0,027 x 30 m = 0,81 m

Luego, la diferencia de nivel entre los dos puntos mencionados debe ser almenos de 81 cm. Si esta diferencia hubiera sido mayor, la pendiente aumentaría,lo cual no sería problemático porque el valor obtenido para este parámetro (2,7%)no es excesivo. Un valor más alto para la pendiente habría aumentado la velocidad,lo que tampoco sería un problema porque el valor elegido para la velocidad estáen un rango bajo. En cualquiera de los casos, el diseñador deberá jugar con losvalores reales para que todos los parámetros queden dentro de los límitessugeridos. Se debe seguir una lógica semejante para el canal que devuelve elagua no usada al río.

Sistema de drenaje:

Las dimensiones de la caja del filtro se establecieron de la siguiente manera:

L = 5 mW = 1 m

El sistema de drenaje está compuesto por un distribuidor y de tuberíaslaterales. Estas tuberías laterales tienen orificios. Las tuberías laterales debentener un espacio de 1m entre sí. Así, tenemos:

Número de tuberías laterales en cada lado: = 6

Número total de tuberías laterales: = 12

Si cada tubería lateral tuviera 10 orificios con 2 mm de diámetro cada uno,entonces:


Área de 1 orificio 0,0000031 m2

Área de 10 orificios (1 lateral) 0,000031 m2

Área de todos los orificios (12 laterales) 0,00038 m2

Caudal del filtro = 0,5 m3/hora = 0,000139 m3/seg

Velocidad en el área total de orificios:

Caudal del filtro ? área total =0,000139 m3/seg ? 0,00038 m2 = 0,37 m/seg

Dicho caudal está dentro del rango sugerido.

18. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

La operación de un filtro dinámico es muy simple. Solo se requiere unosminutos para disponer todo lo que necesita un fd para mantenerse “saludable” (esdecir, suministrar agua limpia y segura en la tasa de producción esperada).

El operador debe realizar dos actividades: la inspección sanitaria y laoperación de limpieza.

18.1 Inspección del sistema

El operador debe realizar la inspección sanitaria del entorno. El conceptode “inspección sanitaria” se desarrolló hace más de una década y, desde entonces,ha sido promocionado por los especialistas asociados con la Organización Mundialde la Salud. Se descubrió que las inspecciones sanitarias eran una manera rápida,eficiente, fácil y económica de evitar problemas cuando se trataba de programasde control de la calidad del agua. Una buena inspección sanitaria permite detectarlos problemas antes de que causen daños o deterioren el producto final: el aguapotable.

La inspección de este tipo en un fd demanda muy pocos recursos. Cualquieroperador, con un mínimo de habilidad, puede desempeñar esta tarea y detectarcualquier problema potencial o real a fin de darle una solución.

50

Durante la inspección, el operador debe verificar el estado y la condición dela captación, de los canales, de las tuberías, de las válvulas y del filtro en sí. Lasobstrucciones, daños, fugas o cualquier otro problema se deben corregirinmediatamente. Si el operador no pudiera resolverlos por sí mismo, deberáreportarlos rápidamente a la autoridad más cercana.

Es importante que lea los medidores y que anote la cantidad de agua quese produce (lectura instantánea) y la cantidad producida (lectura volumétrica).

Si fuera posible analizar el agua en relación con la turbiedad y el contenidode E. coli, el operador deberá recolectar las muestras correspondientes.

Todas estas evaluaciones se deben anotar en formularios adecuados, loscuales deben ser muy simples.

18.2 Limpieza del filtro

El filtro debe tener dos limpiezas: una limpieza diaria y otra estacional. Allimpiar el filtro diariamente, el operador restaurará el filtro hasta que tenga lacapacidad del día anterior. Casi no notará la disminución de la tasa de filtración.

No obstante, habrá suciedad y partículas que empezarán a depositarse enlas capas inferiores del filtro y se empezará a notar la pérdida de carga (estodependerá de la calidad de agua cruda y sucederá incluso si la limpieza diaria serealiza adecuadamente).

Si el filtro tiene una caja de agua filtrada, la pérdida de carga se verá en elcontrolador del agua filtrada. Si no se tuviera este dispositivo, el operador se darácuenta de que la tasa de filtración disminuye gradualmente. Para mantener elmismo caudal de agua filtrada, tendrá que abrir la válvula reguladora cada vezmás hasta el punto en que no se llegue al caudal original. Este fenómeno (que sedenomina “carrera del filtro dinámico”) tomará mucho tiempo pero cuando se llegaa esa condición, la limpieza es obligatoria. Esta carrera es mucho más larga quela carrera de un fla convencional. Probablemente será un fenómeno relacionadocon las estaciones, ya que este problema tendrá lugar durante la época de lluvias,cuando el agua es más turbia. Se prevé que esta limpieza será necesaria una vezal año.


El procedimiento para la limpieza diaria del filtro es el siguiente:

· El operador debe cerrar la válvula de salida del agua filtrada (con laválvula de cierre y no con la válvula de regulación). No se debe tocarel caudal de entrada. Es importante dejar que el flujo cruzado expulselas impurezas. La única diferencia entre ese procedimiento y laoperación normal es que en este momento el filtro no filtra el agua.

· El operador removerá suavemente la superficie del filtro con unrastrillo de madera para restregar las capas superiores de arena(sin llegar a más de 5 cm de la superficie).

· Debe empezar en la parte más cercana a la cámara de disipación yterminar en la parte más cercana a la cámara de recuperación dearena.

· Durante esta actividad, la acumulación de lodo se moverá desde laentrada hacia el final del filtro y la mayor parte pasará sobre la cámarade recuperación de arena. El operador deberá restregar esta últimaparte del filtro cuidadosamente para evitar que pase demasiada arenasobre el vertedero de control del nivel.

· Si bien existe una cámara de recuperación cuya función es retenerla arena que se escapa, se recomienda evitar la pérdida excesiva dearena ya que se tendría que recuperar, lavar y volver a colocar en lasuperficie del filtro demasiado frecuentemente.

· Cuando el filtro esté limpio, el operador deberá abrir la válvula deagua filtrada y recomenzar la operación del filtro.

· Es probable que la operación de limpieza se haga en dos, tres o másdías, según las características del agua y la operación del filtro. Sinembargo, se recomienda que el operador lo haga diariamente. Uncronograma menos estricto es posible solo si las condicionesespecíficas de funcionamiento del filtro lo permiten.

· Cuando se empiece a acumular demasiada arena en la cámara derecuperación de arena (no hay un parámetro fijo para esto), se deberádrenar la cámara y recolectar la arena. Cuando la arena esté limpia,

52

se volverá a colocar inmediatamente en el filtro. Si está sucia, sedeberá aplicar algún procedimiento como el lavado con agua filtrada.Este procedimiento dependerá de las condiciones locales, delcomportamiento del filtro y del diseño del ingeniero.

La limpieza estacional es mucho más importante y demanda más tiempo.Se recomiendan los siguientes pasos:

· El filtro se interrumpe, se cierra el flujo cruzado de entrada y se drenala caja.

· Con una pala se debe retirar aproximadamente 20 cm de arena delas capas superiores a lo largo de toda la superficie del filtro.

· La arena sucia se sustituye por una nueva y limpia o se lava y sevuelve a colocar en el filtro. Si bien esta operación también es muysimple, demandará uno o dos días para completarse y para que elfiltro vuelva a funcionar nuevamente.

Esto equivale a la limpieza de un fla convencional. Sin embargo, en estecaso se realiza con mucho menos frecuencia.

La OPS/CEPIS recomienda usar el método de trinchera. Es decir, junto conla capa de arena sucia también se debe retirar la otra capa más profunda quepuede estar semicolmatada. Al reponer la arena, se coloca la arena limpia o nuevadebajo de la semicolmatada que se queda en la parte superior del lecho. Si bienesto es más trabajoso (y normalmente no se hace), es lo correcto y asegura elfuncionamiento perfecto del filtro.

19. PARÁMETROS DE DISEÑO

Siempre es importante tener todos los parámetros de diseño en un cuadroo sección específica. Esto constituye una referencia rápida que ayuda al ingenieroa obtener información sin tener que ver todo el documento.

La totalidad de los parámetros, según se recomienda en esta guía, es lasiguiente:

Turbiedad máxima permitida en el agua cruda: 50 UTN


Cámara de disipación

Profundidad y ancho = iguales a las del filtroLongitud = 1/5 de la longitud del filtro

Posición de la pantalla = 2/5 de la longitud de la caja, medidos a partir de la abertura de entrada

Abertura en la parte inferior de la pantalla = 1/3 de la altura del lecho del filtro

Vertederos:Material = hierro pintado con

antioxidante de 3 a 7 mm de espesor

Longitud = igual a la del filtro

Ancho 0,25 m

Filtro:

Razón: Longitud/ancho 3:1 – 6:1

Longitud extra para el área de recuperaciónde arena 1/5 de la longitud del filtro

Borde libre sobre el nivel del agua 0,2 m

Caja de recuperación de arena:Longitud 1/5 de la longitud del filtro

Ancho Ancho del filtro

Drenaje:

Distancia entre las tuberías laterales 0,5 – 1,5 m

Diámetro de los orificios 2 – 3 mm

Ancho de las ranuras 1 mm

54

Velocidad en los orificios o ranuras 0,3 – 0,5 m/seg

Diámetro de la grava o piedra 25 – 50 mm

Altura del lecho de grava o piedra 0,15 m

Lecho del medio de soporte

Capa Tipo Diámetro de la Espesor departícula (mm) la capa (mm)

Superior Arena gruesa 1 – 2 50

Segunda Grava fina 2 – 5 50Tercera Grava 5 – 10 50

Inferior Grava gruesa 10 – 25 150

Total 300

Medio filtrante

Tamaño efectivo, d10 0,15 – 0,45 mm

Coeficiente de uniformidad, CU 1,5 – 4,0

Altura del medio filtrante 0,5 – 0,7 m

Reservorio

Volumen del reservorio = 50% de la producción diaria de agua filtrada

DiseñoVida útil del filtro 10 – 25 años

Consumo diario individual de agua 25 – 120 litros/persona x día

Tasa de filtración 0,1 – 0,3 m3/m2 x hora


Razón: flujo cruzado/flujo de filtración 5:1 – 15:1

Número mínimo de filtros 2

Velocidad del agua en un fd 0,05 – 0,20 m/seg

Velocidad del agua en el conducto de entrada 6,0 – 0,5 m/seg(admisión)

Velocidad del agua en la tubería de entrada 3,0 – 0,7 m/seg(admisión)

Pendiente en el fd 0,1 – 2,5%

Pendiente en el conducto de entrada 0,1 – 20%

Carga hidráulica sobre la superficie de arenaen un fd 10 mm

Coeficiente (Manning) para un fd 0,03

Caja de agua filtrada:

Altura Altura del filtro

Lados (ambos iguales) 0,80 – 1,00 m

56


20. GLOSARIO

ACUMULACIÓN DE LODO = partículas e impurezas que se acumulan en la capasuperior del filtro y que causan la pérdida de carga.

AGUA CRUDA = agua obtenida del río sin tratamiento.

AGUA FILTRADA = agua que pasó por el filtro y que está lista para la distribución.

ÁREA DE FILTRACIÓN = área total de la superficie del sistema de filtración.

ÁREA FILTRANTE DE CADA UNIDAD = área de la superficie de cada filtro delsistema.

BORDE LIBRE = parte de la pared del conducto o de la pared del filtro que estásobre el nivel máximo del agua.

CAJA DEL FILTRO = estructura (en forma de caja) que contiene el lecho desoporte, el lecho filtrante y el sistema de drenaje.

CAJA RECOLECTORA DE AGUA FILTRADA = pequeña caja localizada junto alfiltro que recibe el agua filtrada. En ella se encuentra el regulador del flujo.

CÁMARA DE DISIPACIÓN = cámara de admisión que distribuye el agua en laentrada del filtro y, lo más importante, que disipa la energía que el agua traepor el conducto de entrada.

CÁMARA DE RECUPERACIÓN DE ARENA = caja dentro de la estructura delfiltro donde la arena será recolectada para volver a ser colocada en el filtro.

CARGA HIDRÁULICA = altura del agua encima de una superficie determinada.

CARRERA = periodo de tiempo entre dos limpiezas consecutivas del filtro.

CAUDAL DE FILTRACIÓN = caudal del filtro expresado en m3/hora o en m3/m2 x h.También se le llama “tasa de filtración”.

CAUDAL DIARIO DE FILTRACIÓN = volumen de agua que el filtro debe producirpor día. Se expresa en m3/día.

58

CAUDAL NATURAL = flujo máximo que pasa por gravedad a través de un tubo.

CAUDAL TOTAL = cantidad total de agua que se obtiene del río y que se expresaen m3/día o m3/hora.

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD (CU) = razón d60/d10’ que es la razón entre eltamaño de la malla a través de la cual pasa 60% de la arena y el tamaño através del cual pasa 10% de la arena.

COMPUERTA REGULADORA DE CAUDAL = placa que sirve para controlar elcaudal del agua en el conducto.

CONDUCTO DE ENTRADA = canal o conducto que transporta el agua del río alfiltro.

CONDUCTO DE REBOSE = conducto que recibe el agua del flujo cruzado queabandona el filtro y la lleva de regreso al río.

CONSUMO DIARIO PER CÁPITA = cantidad de agua que una persona consumepor día (todos los usos incluidos). También se usa el término “dotación”.

DIÁMETRO EFECTIVO (d10) = tamaño de la abertura de la malla a través de lacual solamente pasa 10% (en peso) de la arena.

DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA = análisis de la muestra de arena queidentifica cantidades diferentes (en peso) de partículas de determinadodiámetro. Está diseñada en papel semilogarítmico.

DRENAJE = sistema que consta de tubos, ladrillos, bloques o incluso piedras ygrava que permite recolectar el agua filtrada y conducirla hasta la salida delfiltro.

E. COLI = bacterias indicadoras. Su presencia indica contaminación por heceshumanas o animales.

FACTOR DE CRECIMIENTO = promedio de la tasa de crecimiento anual en unaregión determinada.

fd = filtro dinámico.


fla = filtro lento de arena.

FLUJO CRUZADO = flujo de agua cruda que pasa a través de la superficie delfiltro. Una parte de este flujo fluye por el lecho filtrante y la otra abandona lasuperficie del filtro por un vertedero de rebose.

GRADIENTE = cantidad de inclinación entre dos puntos.

LECHO = una cantidad determinada de grava y de arena colocada en la caja delfiltro. El lecho de arena es responsable de la acción de filtración. El lechoestá conformado por el lecho de soporte y el lecho filtrante.

LECHO DE SOPORTE = parte inferior del lecho sobre el cual se asienta el lechofiltrante. Está compuesto por grava y arena gruesa.

LECHO FILTRANTE = parte superior del lecho. Es responsable de la acción defiltración. Tiene de 0,5 m a 0,7 m de altura y la arena que lo compone es detamaño uniforme.

LONGITUD TOTAL DE LA ESTRUCTURA = longitud de la caja del filtro más lalongitud correspondiente a las cámaras de admisión y de recuperación de arena.

MADURACIÓN = proceso biológico a través del cual el lecho filtrante desarrollala capa biológica o Schmutzdecke.

MALLA = instrumento que consta de un marco y de una malla de alambre que seusa para separar partículas de arena de diferente tamaño. También se lellama “criba”.

MOGGOD = gases oxidantes mezclados, generados en el lugar, usados en ladesinfección. Es una nueva tecnología que produce cloro y compuestos deozono a partir de la sal de mesa y de electricidad.

MURO DE GRAVEDAD = pared del filtro hecha de ladrillos o piedras. Reacciona(neutraliza), con su propio peso, la presión que ejerce el agua.

NECESIDADES ESPECIALES = cantidad de agua consumida o usada diariamentepara finalidades distintas del consumo individual directamente relacionadoscon la vivienda (escuelas, clínicas, etc.).

60

PANTALLA = placa colocada perpendicularmente al flujo de agua para disipar laenergía.

PENDIENTE = diferencia de altura entre dos puntos por unidad de longitud.

PÉRDIDA DE CARGA = diferencia en la altura del agua entre dos puntos quepertenecen a partes diferentes de un elemento o a elementos diferentes,causada por la pérdida de permeabilidad del medio y por el aumento deresistencia al flujo.

PÉRDIDA DE CARGA POR FRICCIÓN = factor que depende del material deltubo. Representa la pérdida de carga debido a ese material.

PERÍMETRO MOJADO = contorno de un conducto o tubo que está en contactocon el agua que pasa por dentro de los mismos.

POBLACIÓN DE DISEÑO = la población actual más el aumento porcentual en elperiodo de años escogido como vida útil del sistema.

PREFILTRACIÓN = filtración a través de varias capas de un medio grueso (grava),cuya finalidad es reducir la turbiedad del agua cruda.

RASTRILLO DE MADERA = instrumento simple, hecho con un pedazo recto demadera que se usa para limpiar el filtro.

RADIO HIDRÁULICO = cociente entre el área a través de la cual fluye el agua yel contorno del conducto que está en contacto con el agua (denominadoperímetro mojado).

REGULADOR DEL AGUA FILTRADA = véase regulador de caudal.

REGULADOR DE CAUDAL = dispositivo que mantiene el caudal del agua filtradaconstante.

SCHMUTZDECKE = capa biológica que cubre los granos de arena y que esresponsable de la eliminación de la contaminación orgánica del agua cruda.

TASA DE FILTRACIÓN = flujo de agua que se va a filtrar por unidad de área delfiltro. Tambien se le conoce como “caudal de filtración”.


UTN = unidades de turbiedad nefelométricas.

VELOCIDAD = velocidad que el agua tiene en un conducto (tubería, canal) o en lasuperficie del filtro.

VELOCIDAD DE FILTRACIÓN = otra denominación para la tasa de filtración.

VERTEDERO = placa en el conducto o en el filtro que sirve para controlar el flujoy las pendientes.

VERTEDERO CON ESCOTADURA EN V = vertedero con escotadura en V a 60o,usado para medir el caudal en un conducto.

62


21. BIBLIOGRAFÍA

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15. SOLSONA, F. y MÉNDEZ, J.P. Desinfección del agua. Lima, Perú,CEPIS/OPS, 2002. Publicación OPS/CEPIS/PUB/02.83


22. FIGURAS

1. Esquema típico de un sistema de filtración dinámica.

2. Control de caudal en un canal y en una tubería.

3. Vertedero con escotadura en V a 60o. Gráfico de caudal y fórmula.

4. Esquema original para un filtro dinámico.

5. Cámara de disipación.

6. Vertederos.

7. Vertedero de entrada.

8. Vertedero de rebose. Ranuras para el control de niveles.

9. Sistema de drenaje con tuberías.

10. Caja de agua filtrada y sistema de control

11. Curva de distribución granulométrica, d10 y CU.

12. Modelo para el gráfico del análisis de malla.

13. Radio hidráulico y perímetro mojado.

14. Nomograma de caudal para tubos de plástico y hierro.

15. Paredes de gravedad para la caja del filtro.

16. Válvulas en el sistema.

66


EVENTUAL PRE-FILTRACIÓN

CONDUCTO DE ENTRADA (ADMISIÓN)

COMPUERTAS

FILTROCÁMARA DERECUPERACIÓNDE ARENA

CAJA PARA EL AGUAFILTRADA

REGULADOR DEAGUA FILTRADA

AGUA FILTRADA

CÁMARA DEDISIPACIÓN

DESINFECCIÓN

USUARIOS

DISTRIBUCIÓN

RESERVORIO

CONDUCTO DEREBOSE

R

Í

O

CAPTACIÓN

FIG. 1 - ESQUEMA TÍPICO DE UN SISTEMA DE FILTRACIÓN DINÁMICA

DE REGRESOAL RÍO

68

AGUA FILTRADAMI MV

MI MV

REBOSE

DE REGRESOAL RÍO

FILTRO

FILTRO

CONDUCTO DE REBOSE

VVCC

CFCF

CC

R I

O

CONTROL DE CAUDALEN CANALES

AGUA FILTRADA

REBOSE

DE REGRESOAL RÍO

R I

O

VVVC

VF

VFVF VC

CONTROL DE CAUDALEN TUBOS

= COMPUERTA DE CONTROL DE CAUDAL= COMPUERTA DE CIERRE= VERTEDERO CON ESCOTADURA EN “V”

CCCFVV

= VÁLVULA DE CONTROL DE CAUDAL= VÁLVULA DE CIERRE= MEDIDOR INSTANTÁNEO DE CAUDAL= MEDIDOR VOLUMÉTRICO

VCVFMIMV

FIG. 2 - CONTROL DE CAUDAL EN CANAL Y EN TUBERÍAS


Q = 775 . h2.47

[Q] = l/seg[h] = m

FIG. 3 - VERTEDERO CON ESCOTADURA EN V

XY

= 11.73

15.0

14.0

13.0

12.0

11.0

10.0

9.0

8.0

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

60 º

X

YD

D (altura del agua en cm)

CA

UD

AL

(L/s

eg)

70

FIG. 4 - ESQUEMA ORIGINAL DE UN FILTRO DINÁMICO

F I L T R ODISIPA-CIÓN

TRANSI-CIÓNENTRADA


FILTRO

CANAL DE ENTRADAPANTALLA

BORDE LIBRE

0.2

m

CÁMARA DEDISIPACIÓN

H/3

H

A x 2/5 A x 3/5

A = 1/5 DE LA LONGITUD DEL FILTRO

NIVEL DE AGUANIVEL DE ARENA

VERTEDERO DEENTRADA

FIG. 5 - CÁMARA DE DISIPACIÓN

72

FILTRO

ARENA

GRAVADRENAJE

VERTEDERO DEENTRADA

VERTEDERO DECONTROL DE

NIVEL

CÁ

MA

RA

D

ED

ISIP

AC

IÓN

CÁMARADERECUPERACIÓN DEARENA

NIVEL DE AGUA NIVEL DE ARENA VERTEDERO DEREBOSE

VACÍO O RELLENOCON GRAVA

FIG. 6 - VERTEDEROS


FILTRO

VERTEDERO DEENTRADA

CÁMARA DEDISIPACIÓN 20

cm

5 cm

PANTALLA ENTRE LACÁMARA DE DISIPACIÓNY EL FILTRO SUPERFICIE DE ARENA

FIG. 7 - VERTEDERO DE ENTRADA

74

PARED LATERAL

VERTEDERO DEREBOSE

5 cm

BORDELIBRE

CÁMARA DERECUPERACIÓNDE ARENA

ESPESOR = 3 - 7 mm

25 cmRANURA

RANURA

10 cm

LARGO IGUAL ALANCHO DEL FILTRO

FIG. 8 - VERTEDERO DE REBOSE - RANURAS PARA CONTROL DE NIVELES

10 mm


CÁ

MA

RA

DE

DIS

IPA

CIÓ

N

F I L T R O

AGUAFILTRADA

CÁMARA DERECUPERACIÓN DE

ARENACOLECTOR PRINCIPAL

LATERALES

FIG. 9 - SISTEMA DE DRENAJE CON TUBOS

76

AGUAFILTRADA

DRENAJE

VÁLVULA DEREGULACIÓN

VÁLVULA DECIERRE

VÁLVULA DE MUESTREOFILTRO

ENTRADA DEAGUA O

REGULADOR

CA

RG

AC

ON

ST

AN

TE

PÉRDIDA DECARGA

NIVELDE AGUA FILTRADA

NIVELDE FLUJO CRUZADO

BOYAS

FIG. 10 - CAJA DE AGUA FILTRADA Y SISTEMA DE CONTROL

CAJA DE AGUAFILTRADA


100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00.063 0.125 0.25 0.5 1 2 4

% PASADODISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA

TAMAÑO DE LA MALLA (mm)

Tamaño de la malla(mm)0.0630.250.51.02.04.0

Peso acumulado (%) 0.2 2.614.548.385.795.598.4

TAMAÑO EFECTIVOd = 0.2 mm10

COEFICIENTE DE UNIF.d / d = 0.6 / 0.2 = 3

1060

FIG. 11 - CURVA DE DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA, d y CU10

78

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00.001 0.01 0.1 1 10

% PASADODISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA

TAMAÑO DE LA MALLA (mm)

FIG. 12 - MODELO PARA EL GRÁFICO DEL ANÁLISIS DE MALLA


a

b

f

eW

hA

Rh = A / Pm

A = W x h

Pm = W + 2 x h

FIG. 13 - RADIO HIDRÁULICO Y PERÍMETRO MOJADO

Perímetro mojado = Pm =longitud del segmento

a - b - e - f

80

10

15

20

25

30

35

40

50

60

70

80

90

100

150

Diámetro interno(mm)

Caudal

l/seg

0.1

0.15

0.2

0.3

0.4

0.5

1

1.5

5

10

15

234

20

30

40

50

100

150

200

300

Velocidad

m/seg

0.1

0.15

0.2

0.3

0.4

0.5

1

1.5

2

3

4

5

6

Pérdida de cargam/100 m

0.03 0.05

0.04

0.05

0.1

0.150.1

0.20.15

0.2 0.3

0.3

0.4

0.4

0.5

1

0.5

1

1.5

1.5

2

3

2

3

54

5

10

10

15

15

20

20 30

30

40

40

50

50

Tubo

de

plás

tico

Hie

rro

galv

aniz

ado

FIG. 14 - NOMOGRAMA DE CAUDAL PARA TUBOS DE PLÁSTICO Y HIERRO GALVANIZADO


0.20

m

NIVEL DE AGUA

0.30 m

0.45 m

0.60 m

0.20

m

A

B

CPLATAFORMA DEL FONDO DEL FILTRO

FIG. 15 - MUROS DE GRAVEDAD PARA UNA CAJA DE FILTRO

FILTRO

82

FILTRO

CÁ

MA

RA

DE

DIS

IPA

CIÓ

N

CAJA DEAGUA

FILTRADA

CÁ

MA

RA

DE

RE

CU

PE

RA

CIÓ

ND

E A

RE

NA

VF

VF VF

VF(*)

VC

VC

VC

VFVF

TA

TA

VC = Válvula de control del caudalVF = Válvula de cierreTA = Válvula de muestreo(*) = Opcional

FIG. 16 VÁLVULAS EN EL SISTEMA


Primer filtro dinámico construido en América Latina en 1969 (conti-núa en funcionamiento). Anillaco, La Rioja, Argentina

84

Canales de entrada


Control del caudal de entradacon la utilización de compuertas

86

Filtros dinámicos argentinos mostrando


el área de disipación original

88

Cámaras de disipación como se sugieren en esta guía técnica


Cámara y regulador del agua filtrada

90

Rebose libre al final del filtro


... y de vuelta al río

Rebose del agua...

92

Vertederos demedición conescotaduraen V a 60o

Elementos auxiliares

Desinfección através de laalimentación desolución dehipoclorito enuna caja deagua filtrada

Reservorio deagua filtrada


Limpiezadel filtro

Rastrillode madera

94

Unidad de filtración dinámica para investigaciónDaspoort, Pretoria, Sud África

Documents

Filtración dinámica