FILTRACIN EN MLTIPLES ETAPAS PARA TRATAMIENTO DE AGUA

POTABLE EN SISTEMAS RURALES.

ING. FREDY AGUIRRE MORALES, MG. SC.

INTRODUCCION

El sector de agua y saneamiento se ha dividido tradicionalmente en urbano y rural.

En los centros urbanos ms grandes se sigue el modelo tradicional de provisin de servicios a travs de los GADs, empresas pblicas o concesiones, y en las reas rurales se ha establecido la gestin comunitaria a las Juntas Administradoras de Agua Potable.

La tecnologa a ser empleada en la provisin de servicios a pequeas localidades constituye parte de la problemtica.

INTRODUCCION

Para superar el dficit de cobertura de agua potable (60 %) mediante un nivel de servicio equivalente al de los centros urbanos medianos y grandes, se requieren montos elevados de inversin, los que se encuentran fuera del alcance de los GADs Municipales.

A este hecho se suma la necesidad de utilizar tecnologas que puedan ser operadas y mantenidas por los proveedores locales de servicios.

INTRODUCCION

Las fuentes superficiales pueden sufrir cambios impredecibles y errticos en su calidad debido a la escorrenta durante los perodos de lluvia. Este es un problema crtico para los operadores de los sistemas de abastecimiento de agua, en particular, en los sistemas que dependen de aguas superficiales.

Este riesgo es menor para las fuentes protegidas en las zonas montaosas, que para los ros en zonas planas cercanas a las reas pobladas.

CALIDAD DEL AGUA EN LAS FUENTES SUPERFICIALES

La calidad del agua superficial en ros y corrientes de agua, lagos, estanques y humedales est determinada por la qumica de la precipitacin y por las interacciones de la escorrenta con el suelo, la roca, los slidos transportados (orgnicos, sedimentos).

Tambin puede ser afectada significativamente por las actividades agrcolas, ganaderas, extraccin minera, urbanizacin y otras actividades antrpicas.

FILTRACION LENTA EN ARENA

La FLA es la tecnologa de tratamiento de agua ms antigua usada en los sistemas de abastecimiento, empleada exitosamente en el norte de Europa y Norteamrica con el fin de tratar aguas superficiales con niveles relativamente bajos de. La experiencia con FLA no ha sido exitosa en pases de Amrica Latina como Ecuador, donde los elevados niveles de turbiedad en los ros causaron taponamiento prematuros de los filtros, hacindose necesario un frecuente mantenimiento y en ltima instancia el abandono de muchos de estos sistemas.

FILTRACION LENTA EN ARENA

La FLA tiene dos limitaciones importantes: 1. La pobre calidad del agua de la fuente puede

exceder la capacidad de tratamiento, alta turbiedad del agua ocasiona taponamientos prematuros de los filtros y altos niveles de color.

2. La naturaleza biolgica del tratamiento requiere de un caudal continuo de agua que asegure el suministro de oxgeno y nutrientes.

FILTRACION LENTA EN ARENA

Para reducir los problemas asociados con estas limitaciones, los investigadores iniciaron el desarrollo de sistemas de pre-tratamiento para mejorar la calidad del agua antes del proceso con FLA. La bsqueda de sistemas de bajo costo con una O&M sencilla condujo al desarrollo de la Filtracin en Mltiples Etapas (FiME), una combinacin de FLA y de filtros de grava.

FILTRACIN EN MLTIPLES ETAPAS

La Filtracin en Mltiples Etapas (FiME) es una combinacin de Filtracin Gruesa en Grava (FG) y de Filtracin Lenta en Arena (FLA).

Esta combinacin hace posible el tratamiento de agua con niveles de contaminacin muy superiores a los que se pueden tratar utilizando slo la FLA.

FILTRACIN EN MLTIPLES ETAPAS

Es mucho ms sostenible que el tratamiento qumico del agua para las comunidades rurales, pequeos y medianos municipios de los pases en va desarrollo.

Otros procesos de tratamiento como la sedimentacin, las trampas de arena y rejillas pueden preceder a los sistemas FiME.

Donde sea posible, se debe incluir la desinfeccin final como una barrera de seguridad despus de la FiME.

FILTRACIN EN MLTIPLES ETAPAS

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

Una unidad de FLA est conformada por una estructura que contiene un lecho filtrante, una capa de agua sobrenadante, un sistema de drenaje y el control del flujo).

El tratamiento de agua con FLA es el resultado de una combinacin de mecanismos biolgicos y fsico-qumicos que interactan de una forma compleja.

La materia orgnica e inorgnica ingresa a las unidades de FLA junto con el flujo de agua sin tratar o pre-tratada, la cual pasa a travs del medio filtrante por gravedad, mediante la presin que ejerce el agua sobrenadante que se encuentra encima del lecho de arena.

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

La fotosntesis favorece el crecimiento de algas que proporciona materia orgnica adicional, que se aade a la contaminacin del agua. Esa fuente de nutrientes ayuda al crecimiento de bacterias y otros microorganismos que ayudan a que el material soluble sea removido del agua en el lecho de arena. El lecho filtrante acta como una unidad de limpieza de materia orgnica y organismos aerbicos, como el zooplancton y el resto de la biomasa, los cuales respiran continuamente, demandando el oxgeno proveniente del agua, de ah la necesidad de un flujo continuo en el sistema.

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

ESQUEMA DE UN FLA

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

El control del caudal a la entrada de los filtros, es un mtodo usado actualmente en Amrica Latina, donde el caudal se mantiene constante.

El incremento gradual de la prdida de carga en la superficie del filtro es compensado mediante un incremento en la altura del agua sobrenadante, por lo cual se incrementa la presin del agua para mantener la tasa de flujo a travs del filtro.

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

El sistema de drenaje consiste de una tubera principal con conductos laterales, que pueden construirse a partir de tuberas perforadas, ladrillos o losas perforadas, que se cubre con una capa de grava y una de arena.

Este sistema requiere:

o Soportar el material filtrante e impedir su arrastre. o Asegurar la recoleccin uniforme del agua filtrada en

toda el rea de filtracin

o Permitir el llenado de los filtros y eliminar burbujas de aire.

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

La capa de agua sobrenadante. Proporciona la carga hidrulica necesaria para permitir su paso a travs del lecho de arena.

En un lecho limpio, la perdida de carga inicial suele estar por debajo de 0.1 m, valor que se incrementa gradualmente hasta que se alcanza el nivel mximo.

Las investigaciones recientes reportan alturas mximas de agua sobrenadante en un rango entre 0.6 a 1.2 m en los sistemas construidos recientemente.

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

El lecho filtrante Consiste bsicamente de arena relativamente fina que posee las siguientes caractersticas: dimetro efectivo (d10) de 0.15 a 0.3 mm y un coeficiente de uniformidad, Cu = d60/d10 menor de 5.

Es necesario usar arena fina para asegurar la remocin de impurezas del agua en la parte superior del lecho de arena y posteriormente se pueda remover la capa superficial por raspado.

La profundidad mnima del lecho de arena debe ser de 0.4 a 0.5 m y la arena debe estar limpia y libre de arcilla, tierra y material orgnico.

LA TECNOLOGA DE LA FILTRACIN LENTA EN ARENA

Dada la naturaleza biolgica del proceso, las unidades de FLA deben ser operadas continuamente. La tasa de filtracin puede reducirse, pero se debe evitar la operacin intermitente puesto que la prdida de oxgeno y de nutrientes compromete la actividad biolgica.

Despus de varias semanas o meses de funcionamiento, la unidad de FLA se colmata gradualmente como resultado de la acumulacin de material orgnico e inorgnico, incluyendo la biomasa que se forma en la parte superior del lecho filtrante.

LIMITES DE CALIDAD DEL AGUA EN EL FLA

OPCIONES DE PRE-TRATAMIENTO

Las alternativas de los filtros gruesos han sido clasificadas de acuerdo al propsito principal de su aplicacin y a la direccin del flujo.

Se incluyen los filtros gruesos dinmicos, los de flujo ascendente, descendente y de flujo horizontal, respectivamente.

Los filtros gruesos han sido diseados para producir un efluente con turbiedad menor de 10 a 20 UNT, o con menos de 5 mg/l de slidos suspendidos para facilitar el proceso de tratamiento en las unidades de FLA e incrementar el tiempo de operacin de esas unidades de tratamiento.

EL PROCESO DE FILTRACIN GRUESA

La filtracin gruesa es un proceso que remueve partculas suspendidas y en estado coloidal del agua, presenta grandes ventajas con respecto a otras alternativas como sedimentadores, filtros rpidos en arena o embalses.

El pretratamiento con filtracin gruesa bsicamente significa un proceso de sedimentacin sobre una extensa superficie, por lo anterior su eficiencia es funcin de la carga superficial (longitud, tamao de los medios y velocidad de filtracin), as como del tamao y distribucin de partculas en el agua,

DIAGRAMA DEL PRETRATAMIENTO

FILTRO GRUESO DINMICO (FGDI) Un FGDi consiste de dos o ms unidades en paralelo compuestas de tres capas de grava de diferente tamao, desde gruesa en la parte inferior hasta fina en la superficie.

El agua (Qf) se filtra a travs del lecho de grava desde la superficie hasta el fondo, alcanzando el sistema de drenaje, desde el cual fluye a la siguiente unidad de tratamiento.

FILTRO GRUESO DINMICO (FGDI) Un FGDi consiste de dos o ms unidades en paralelo compuestas de tres capas de grava de diferente tamao, desde gruesa en la parte inferior hasta fina en la superficie.

El agua (Qf) se filtra a travs del lecho de grava desde la superficie hasta el fondo, alcanzando el sistema de drenaje, desde el cual fluye a la siguiente unidad de tratamiento.

ESQUEMA DE UN FILTRO GRUESO DINMICO (FGDI)

FILTRACIN GRUESA DE FLUJO ASCENDENTE (FGA)

En un Filtro grueso ascendente el agua pasa a travs del lecho de grava de abajo hacia arriba. Durante este paso las impurezas son retenidas por el filtro.

La filtracin de flujo ascendente tiene la ventaja que las partculas ms pesadas son removidas primero en el fondo del filtro. Cuando es tiempo de limpiar los filtros, las partculas pueden ser removidas abriendo una vlvula de desage de apertura rpida, permitiendo que por accin de la gravedad se drene y se limpie el filtro

FILTRACIN GRUESA DE FLUJO ASCENDENTE (FGA)

MODELO DE SELECCIN DEL SISTEMA FIME

EVALUACIN A ESCALA PILOTO DE UN FILTRO GRUESO ASCENDENTE EN CAPAS Y UN FILTRO

LENTO DE ARENA PARA MEJORAR EL TRATAMIENTO DEL AGUA POTABLE DE LA

CABECERA PARROQUIAL TORATA, CANTN SANTA ROSA, PROVINCIA DE EL ORO

.

RESUMEN DEL ESTUDIO

El estudio pretende investigar el uso potencial de la tecnologa de Filtracin en Mltiples Etapas con una planta piloto, en el sistema de agua potable de Torata, cantn Santa Rosa, provincia de El Oro, para evaluar su funcionamiento en condiciones reales con el objeto de determinar su eficiencia y aplicabilidad en el diseo de una nueva planta de tratamiento a escala real.

OBJETIVOS Simular, mediante modelos fsicos, la utilizacin de tecnologas no convencionales complementarias para el tratamiento del agua potable que permitan mejorar, sin costos adicionales, la calidad del lquido para consumo humano Disear, construir y operar una planta piloto de tratamiento del agua potable, en la parroquia Torata, para determinar los parmetros de diseo de la unidad de pre-tratamiento de la planta de tratamiento a escala real que garantice su eficiencia continua. Determinar la eficiencia de remocin de la turbiedad en las unidades de la planta piloto para diferentes velocidades de filtracin. Establecer la influencia del filtro grueso ascendente en capas en la carrera del filtro lento de arena. Evaluar la eficiencia de la planta piloto en la remocin de

lif f l t t l

METODOLOGIA Se recopil informacin, sobre la fuente de agua, as como de la microcuenca, en lo relacionado especialmente a la calidad del agua cruda y los factores que influyen en su deterioro. Una evaluacin de la planta de tratamiento existente fue realizada, para conocer los parmetros de operacin. caudales, velocidad de filtracin, carrera de filtracin, prdidas de carga, determinacin del grado de colmatacin del lecho filtrante y anlisis de calidad del agua. Se dise y construy la planta piloto compuesta de una cmara de ingreso para regular el caudal, un FGAC y un FLA, se disearon aplicando criterios de diseo obtenidos en la bibliografa consultada. La planta piloto fue monitoreada de acuerdo al programa propuesto en el anteproyecto. Finalmente se elaboraron los diseos definitivos de la planta de tratamiento.

DESCRIPCIN DE LA PLANTA PILOTO

DESCRIPCIN DE LA PLANTA PILOTO

FLA

FGAC

ENTRADA AGUA CRUDA

SALIDA AGUA TRATADA

PROGRAMA DE MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AGUA

VARIACION DE LA TURBIEDAD PARA Vf FGAC 0.30-0.40 m/h

La turbiedad del agua cruda present variaciones con un promedio de 19,56 y 12,51 UNT para cada velocidad de filtracin Los valores mnimos fluctuaron desde 4,20 y 4,10 UNT hasta valores mximos de 66,70 y 79,90 UNT En el efluente del FLA, las turbiedades del agua tratada variaron desde 1,00 hasta 10,20 UNT con promedios de 4,99 y 3,77 UNT, en cada perodo analizado.

EFICIENCIA DE REMOCION DE TURBIEDAD

Para velocidades de filtracin (FGAC 0,30 m/h) y (FLA 0,11 m/h), las eficiencias de remocin de turbiedad variaron desde 16,67 a 80,81% con un promedio de 46,02% para el FGAC y desde 3,77 a 75,94% con un promedio de 40,02% para el FLA. Para velocidades de filtracin (FGAC 0,40 m/h) y (FLA 0,14 m/h), las eficiencias de remociones de las turbiedades variaron desde 21,57 a 79,60% con un promedio de 44,18% para el FGAC y desde 3,64 a 81,30% con un promedio de 42,87% para el FLA.

PARAMETRO: TURBIEDAD PARA Vf FGAC 0.50-0.60 m/h

La turbiedad alcanz valores mximos de 140 y 133 UNT en cada periodo. En el efluente del FLA, las turbiedades del agua tratada variaron desde 0,40 hasta 10,80 UNT, con promedios 5,40 y 4,30 UNT, en cada perodo analizado

EFICIENCIA REMOCION TURBIEDAD

Para velocidades de filtracin (FGAC 0,50 m/h) y (FLA 0,18 m/h), la eficiencia de remocin de la turbiedad sufri variaciones desde 6,67 a 69.01% (promedio 39,47%) para el FGAC y 37,14 a 90,74% (promedio 56,13%) para el FLA. Para velocidades de filtracin (FGAC 0,60 m/h) y (FLA 0,22 m/h), la eficiencia de remocin de la turbiedad sufri variaciones desde 13,89 a 92,61% (promedio 57,45%) para el FGAC y 12,50 a 94,02% (promedio 49,04%) para el FLA.

TURBIEDAD PARA Vf FGAC 0.70-0.80 m/h

La turbiedad del agua cruda present valores inferiores a 20 UNT, lo que indica que la estacin lluviosa haba concluido. La turbiedad del agua cruda alcanz valores mximos de 174 y 14,40 UNT En el efluente del FLA las turbiedades del agua tratada variaron desde 0,80 UNT hasta 14,40 UNT, con promedios 3,59 UNT y 2,10 UNT en cada perodo

EFICIENCIA REMOCION TURBIEDAD

Para velocidades de filtracin (FGAC 0,70 m/h) y (FLA 0,25 m/h), la eficiencia de remocin de la turbiedad sufri variaciones desde 4,17 a 83,67% con un promedio de 44,53% para el FGAC y 5,88 a 93,29% con un promedio de 51,68% para el FLA. Para velocidades de la filtracin (FGAC 0,80 m/h) y (FLA 0,29 m/h), la eficiencia de remocin de turbiedad sufri variaciones desde 38,03 a 80,99% (promedio 59,42%) para el FGAC y 21,43 a 78,95% (promedio 53,27%) para el FLA.

EFICIENCIA REMOCION SOLIDOS SUSPENDIDOS

El valor mximo medido para el agua cruda es de 209 mg/l y que los picos de la concentracin de los slidos suspendidos coinciden con los picos de la turbiedad para el agua cruda, lo que guarda relacin con la teora de que la turbiedad es causada, en parte, por la presencia de los slidos en suspensin.

REMOCION SOLIDOS SEDIMENTABLES

Los slidos sedimentables fueron determinados en las muestras de agua tomadas en los das que se presentaron las turbiedades mximas, debido a que para valores pequeos de turbiedad los resultados no fueron apreciables. Se obtuvieron eficiencias de remocin de los slidos sedimentables mayores al 85

EFICIENCIA REMOCION COLIFORMES FECALES Y TOTALES

El promedio para el agua cruda en los tres anlisis realizados es de 18 UFC/100 ml, que indica que el agua cruda tiene una contaminacin baja. La eficiencia de la remocin promedio es de 38,65% para el FGAC y en el efluente del FLA no se encontraron coliformes totales. Para el caso de los coliformes fecales, el promedio para el agua cruda es de 5 UFC/100 ml y la eficiencia de la remocin promedio para el FGAC es de 42,5%; de igual manera, no se encontraron coliformes fecales en el efluente del FLA.

PERDIDA DE CARGA EN LOS FILTROS

En el FGAC, la prdida de carga total present variaciones desde 2 cm para el lecho filtrante limpio hasta 17,50 cm para el filtro en funcionamiento. En el caso del FLA, la prdida de carga tuvo un incremento leve en las tres primeras semanas; en las cuatro siguientes, experiment variaciones pequeas y, en las tres ltimas, un crecimiento acelerado hasta llegar al nivel en que fue necesario realizar la limpieza del FLA.

CONCLUSIONES

En el perodo de evaluacin de la planta piloto comprendido entre el 5 de marzo al 25 de mayo del 2.007, que se encuentra dentro de los meses lluviosos (diciembre abril), las variaciones de la turbiedad del agua cruda fluctuaron desde el valor mnimo de 1,20 hasta un mximo de 174 UNT con un promedio de 17 UNT. De acuerdo a la curva de frecuencia acumulada de la turbiedad, se observa que este parmetro es menor a 10 UNT en el 60% del tiempo de anlisis y que en el 40% restante, las turbiedades son mayores; de acuerdo a lo establecido, se requiere de algn tipo de pre-tratamiento antes de la utilizacin de la filtracin lenta. Para todas las velocidades analizadas de filtracin, se obtuvieron turbiedades menores a 5 UNT en el efluente del FLA con excepcin de la velocidad de filtracin en el FGAC (0,50 m/h) y FLA (0,18 m/h) donde se obtuvo un valor de 5,40 UNT con una desviacin estndar de 3.54. La eficiencia de remocin de la turbiedad en el FGAC present un decrecimiento a medida que fue incrementada su velocidad de filtracin desde 0,30 hasta 0,50 m/h y desde el 46 hasta 39,47%. Para las velocidades de filtracin de 0,60, 0,70, y 0,80 m/h, las eficiencias de remocin de las turbiedades promedios presentaron valores de 57,45, 44,53 y 59,42%.

CONCLUSIONES

El valor mximo de la eficiencia de remocin de la turbiedad del FGAC de 92,62% fue encontrado para la velocidad de filtracin de 0,60 m/h. Para la velocidad de filtracin de 0,80 m/h en el FGAC, se obtuvo la mayor eficiencia de remocin de la turbiedad, en promedio, debido a que la turbiedad de agua cruda tuvo los valores menores con un promedio de 9,06 UNT; para esta velocidad aplicada, la estacin lluviosa haba concluido. Para el FLA, la mayor eficiencia de remocin de la turbiedad de 94,02% fue obtenida con una velocidad de filtracin de 0,22 m/h. Al incrementarse la velocidad en el FLA, la eficiencia disminuye hasta 78,95% para 0,29 m/h. Para los slidos suspendidos del agua cruda, entre 10 y 100 mg/l, la eficiencia mxima fue de 89,5%, y para valores mayores a 100 mg/l, la eficiencia mxima de remocin del FGAC fue de 87,3%. La eficiencia de remocin del FGAC es del 38,65% para los coliformes totales y 42,5% para los coliformes fecales. Los valores bajos de los indicadores de contaminacin microbiolgica permiten al FLA una remocin del 100%.

La prdida de carga experiment variaciones desde 2,0 hasta 17,5 cm en el FGAC, y desde 0,2 hasta 82,0 cm en el FLA. La carrera de filtracin tuvo una duracin de 68 das en la planta piloto, comparada a los 4 das de la planta actual, existe una gran diferencia. Adems permiti la maduracin del filtro que mejor la eficiencia de remocin de los microorganismos patgenos. Los resultados obtenidos durante este estudio muestran claramente que las combinaciones apropiadas de grava en el filtro grueso ascendente en capas y la filtracin lenta en arena producen agua con riesgo sanitario bajo. Las tasas de filtracin adoptadas en el diseo son las siguientes: 0.50 m/h para el FGAC y 0.25 m/h para el FLA. La tecnologa de filtracin en mltiples etapas, aplicada a escala piloto, demuestra un gran potencial en la reduccin de la turbiedad y los slidos suspendidos, por lo que se requiere adicionalmente, la desinfeccin como barrera adicional de proteccin contra las enfermedades hdricas.

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