Introducción.

en el presente informe trata, principalmente, de diseños de filtros de filtración

rápida. El objetivo de la filtración es retener los sólidos en suspensión que
transporta un agua, que antes puede haber pasado por un proceso de
decantación. La filtración a través de material granular, por ejemplo, lechos de
arena, se basa en la capacidad de retención de sólidos en el seno o volumen del
lecho filtrante, aunque también puede darse eliminación superficial
simultáneamente. Para que una filtración de este tipo sea eficaz se requiere que
los sólidos puedan penetrar profundamente dentro del lecho y no bloquearlo en
superficie. Por otra parte, es preciso seleccionar un material filtrante con una
granulometría y espesor de lecho tales que el filtrado alcance la calidad deseada.

Analizando las variables principales para el correcto funcionamiento del filtro, Las
variables más significativas para el diseño y /o funcionamiento del proceso son:
características del material filtrante; características del agua a tratar y filtrada y la
velocidad de filtración.

Para conseguir unos rendimientos adecuados el caudal a filtrar debe estar

relacionado, con la superficie de filtración disponible, la velocidad de filtración
dependerá del diámetro efectivo del material filtrante y de la consistencia de los
flóculos o sólidos. Mientras más consistente es un floculo, para un mismo tamaño
de poro del lecho, mas alta puede ser la velocidad de filtración sin que el floculo se
rompa, y por lo tanto será necesaria una menor superficie de filtración, y aquí es
donde en función de la velocidad de filtración a través del medio granular pueden
ser de filtración lenta y filtración rápida.
Objetivos.
OBJETIVO GENERAL

 Conocer los parámetros más importantes en el diseño de filtros rápidos de

arena que influyen en su eficacia para el tratamiento de potabilización del
agua.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

 Conocer las ventajas y desventajas de los filtros rápidos en la purificación

del agua.
 Analizar los parámetros más importantes para el diseño de filtros rápidos de
arena
 Identificar las limitantes o restricciones en los filtros rápidos de arena
 Determinar los materiales y componentes que intervienen en la elaboración
de un filtro rápido de arena.
FILTRACION

La filtración consiste en la remoción de partículas suspendidas y coloidales

presentes en una suspensión acuosa que escurre a través de un medio poroso.

En general, la filtración es la operación final de clarificación que se realiza en una

planta de tratamiento de agua y, por consiguiente, es la responsable principal de la
producción de agua de calidad coincidente con los estándares de potabilidad.

El avance logrado por la técnica de filtración es el resultado de un esfuerzo

conjunto dirigido a lograr que la teoría exprese los resultados de las
investigaciones experimentales, de tal modo que sea posible prever, en el diseño,
cómo va a operar la unidad de filtración en la práctica.

Img.1 proceso de filtración

FILTROS RÁPIDO DE ARENA

 ASPECTOS TEORICOS

La remoción general de impurezas del agua por filtración rápida, se lleva a cabo
mediante una combinación de varios procesos diferentes. Los más importantes
son: colado, sedimentación, absorción y procesos bacteriológicos y bioquímicos.
Estos son los mismos procesos descritos para la filtración lenta en arena. Sin
embargo, en la filtración rápida se usa arena más gruesa con un tamaño efectivo
de grano en la escala de 0. 4-1. 2 mm y el ritmo de filtración es más elevado,
generalmente entre 5 y 15 m3/m2/hora (120—360 m /m /día) (hasta
50 veces mayor que en la filtración lenta en arena). Debido a la arena gruesa
usada, los poros del lecho de filtro serán relativamente grandes y las impurezas
contenidas en el agua cruda penetrarán al fondo en el lecho de filtro. Por esto, la
capacidad del lecho de filtro para almacenar impurezas depositadas, es usada en
forma mucho más efectiva y se puede tratar hasta agua de río muy turbia con la
filtración rápida.

Estos factores alteran completamente la importancia relativa de los varios

procesos de purificación.

El colado de impurezas en un filtro rápido no es importante debido a los poros

relativamente grandes en el lecho de filtro. La sedimentación no será muy efectiva
debido a las elevadas tasas de filtración usadas. Así, se retendrá muchas menos
impurezas mediante el colado y la sedimentación que en el filtro lento de arena.
Especialmente las capas superiores del lecho de filtro serán mucho menos
efectivas y habrá una profunda penetración de impurezas en todo el lecho del filtro
rápido.

El efecto más importante de purificación en la filtración rápida es, con mucho, la

absorción de impurezas con carga eléctrica hacia los granos del lecho de filtro con
una carga eléctrica opuesta. En un filtro rápido las cargas estáticas naturales del
material del lecho de filtro están complementadas por cargas electrocinéticas
producidas por el flujo elevado de agua. Las partículas cargadas (iones) son
arrastradas fuera de los granos del lecho de filtro con el resultado de que los
granos quedan con una carga (opuesta). El efecto electrocinético refuerza
grandemente la acción de absorción.

Aplicaciones de la filtración rápida

Hay varias aplicaciones diferentes de la filtración rápida en el tratamiento de agua

para abastecimientos de agua de bebida.
En el tratamiento del agua subterránea, se usa la filtración rápida para remover el
hierro y el manganeso.

Para ayudar al proceso de filtración, frecuentemente se provee la aireación como

pretratamiento para formar compuestos insolubles de hierro y manganeso.

También se usa la antracita, las certezas molidas de coco, la piedra pómez y otros

materiales, especialmente en lechos de filtro de capas múltiples en donde se
coloca una o más capas de dichos materiales en la parte superior de un lecho de
arena (superficial)

Filtración rápida después de la coagulación, floculación y sedimentación.

Tipos de filtros rápidos

Los filtros rápidos se construyen en su mayoría al descubierto pasando el agua al

lecho de filtro mediante gravedad.

Para ciertas condiciones de operación, son más apropiados otros filtros rápidos
que no sean del tipo de gravedad.

Los más importantes son: filtros de presión, filtros de flujo

ascendente y filtros de medios múltiples

Filtro de presión

Filtros de presión son de construcción similar a los filtros del tipo gravedad, pero el
lecho de filtro y el fondo del filtro están encerrados en un recipiente hermético de
presión hecho de acero. Aquí, la fuerza de conducción para el proceso de filtración
es la presión del agua aplicada en el lecho de filtro, la cual puede ser tan elevada
que se puede alcanzar casi cualquier longitud deseada de la carrera del filtro. Los
filtros de presión están disponibles comercialmente como unidades completas. No
son tan fáciles de instalar, operar y mantener. Por esta razón no son muy
adecuados para aplicarlos en plantas pequeñas de tratamiento en países en
desarrollo.
Filtros de flujo ascendente

Sirven para un proceso de filtración de grueso a fino. La capa gruesa del fondo del
lecho de filtro criba la mayor parte de las impurezas suspendidas, incluso del agua
cruda turbia, sin ningún aumento grande de la resistencia del lecho de filtro,
debido a los poros grandes. Las capas finas sobrepuestas tienen poros más
pequeños pero aquí también la resistencia del filtro aumentará sólo lentamente ya
que no quedan muchas impurezas que filtrar.

En los filtros de flujo ascendente se usa la arena como el único medio de filtro.
Frecuentemente, se les usa para el pretratamiento de agua que es purificada
nuevamente mediante filtros rápidos del tipo de gravedad o mediante filtros lentos
de arena. En tales casos, los filtros de  flujo ascendente pueden dar excelentes
resultados y pueden ser muy adecuados para usarlos en plantas pequeñas de
tratamiento.

Una desventaja es que la resistencia permisible en un filtro de flujo ascendente no

es mayor que el peso sumergido del lecho de filtro. Siendo la arena el material de
filtro, la carga disponible de resistencia es casi igual al espesor del lecho. Así, para
agua de río muy turbia, la longitud de la carrera del filtro y la tasa disponible de
filtración están muy limitadas.

Las características más importantes de los filtros rápidos son los siguientes:

Tiempo de contacto agua-filtro: Corto, sólo permanece unos minutos.

Lecho filtrante: Normalmente se usa arena, también antracita, carbón activo
o combinación de capas de diferentes materiales.
Mecanismo: Físico (prácticamente no tienen actividad biológica).
Elimina: Sólidos en suspensión grandes (baja efectividad para patógenos,
olor y sabor).
Superficie requerida: No necesita grandes superficies.
Flujo: Causado por acción de la gravedad o a presión.
Ventajas y desventajas de la filtración rápida

VENTAJAS DESVENTAJAS

Funcionan con altas velocidades Operación y mantenimiento más

Corto tiempo de lavado complicado que la de los filtros lentos ya
Requiere de áreas muchos más que demanda de personal más calificado y
pequeñas que las necesarias para los mayores recursos económicos y
filtros lentos materiales.
El costo de construcción de la planta de Permiten tasas de filtración bastante
tratamiento puede disminuir hasta en elevadas
50% con respecto al de una planta Requiere de un buen pretratamiento
convencional. Dificultad en el tratamiento del agua con
Menor costo de operación alto contenido de color o turbiedad.
y mantenimiento Necesidad de monitoreo continuo o control
Reducción sustancial del consumo riguroso de los principales parámetros de
de coagulante. calidad del agua cruda tratada
Menor volumen de lodo producido en El tiempo de retención total para el
la planta. tratamiento es relativamente corto, lo que
Facilidad en el tratamiento de agua cruda implica que debe reaccionarse
con baja turbiedad. rápidamente ante las modificaciones de
calidad de agua cruda.
Posibilidad de paralización de la planta,
debido a errores en la dosificación de
coagulante.

CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS RAPIDOS

Los sistemas de filtración pueden ser clasificados teniendo en cuenta los
siguientes parámetros: el lecho filtrante, el sentido del flujo durante la filtración, la
forma de aplicar la carga de agua sobre el medio filtrante y la forma de control
operacional.

El siguiente cuadro resume muestra las diferentes alternativas para cada uno de
los parámetros que usualmente se utilizan para clasificar los filtros rápidos.

PARAMETROS DE CLASIFICACION
Lecho filtrante Sentido del flujo Carga sobre el Control
lecho operacional
Simple (arena o Tasa constante y
antracita) Descendente A gravedad nivel variable
Ascendente Tasa constante y
Lechos dobles o A presión nivel constante
Ascendente-
múltiples
descendente Tasa declinante

Criterios para seleccionar el grado de tratamiento en funcion de la calidad de la

fuente
To= turbiedad del agua cruda
Co= color en el agua cruda
C.F.= coliformes fecales
UC= Unidades de color cloro platinado de cobalto
UNT= Unidades nefelométricas de turbiedad.

COMPOSICION DE LOS LECHOS FILTRANTES

El filtro puede ser de un solo medio (arena o antracita), de medio dual (arena y
antracita) o de lechos mezclados. Puede ser de profundidad convencional de 60
cm a 90 cm o de capa profunda de más de 90 cm de altura. Las partículas deben
ser duras, resistentes, de forma preferiblemente redondeada sin esquistos ni
partículas extrañas, libre de lodo, arcilla o materias orgánicas.

El medio filtrante es de especial cuidado, por lo cual debe mantenerse apto para la
operación del sistema, por medio de lavados continuos y cambios del lecho
filtrante cuando sea necesario.
Las siguientes actividades deben de ejecutarse para asegurar la correcta
operación del filtro.

1. Evitar las turbulencias indebidas y agitación de la arena en el llenado del

filtro.
2. Mantener una buena coagulación del agua, ajustando la dosis optima
permanentemente para mantener el mejor filtrado.
3. Determinar la turbiedad, el color y la perdida de carga en el efluente del
filtro.
4. No producir perdida de carga negativa en el lecho filtrante.
5. Lavar el filtro cuando este alcance la pérdida de carga máxima permitida
por el sistema o cuando la calidad del agua alcance el límite máximo
permitido por las normas utilizando las velocidades adecuadas a las
características.

Periodos de limpieza

Para limpiar un lecho de filtro rápido, no es suficiente raspar la capa superior. La

limpieza de los filtros rápidos se realiza mediante el lavado por corriente de agua
limpia. Eso se hace dirigiendo un flujo elevado de agua a través del lecho de filtro
desde donde se expande y se arrastra. El lavado por corriente de agua limpia saca
fuera del filtro los atoros depositados. La limpieza de un filtro rápido se puede
realizar en poco tiempo, no es necesaria ni siquiera media hora aproximadamente.
Se le puede hacer con la frecuencia requerida, si fuera necesario todos los días.

Consideraciones de diseño

La filtración es un proceso físico en el que se hace pasar una mezcla sólido-fluido

por un medio relativamente poroso, en donde se atrapan los sólidos y se deja
pasar el fluido. Si se quiere que el agua tenga una calidad satisfactoria, entonces
hay que incluir dentro del proceso el uso de un filtro. Existen diferentes tipos de
filtros en función de, por ejemplo, la materia que se quiere separar, el mecanismo
de retención, el tipo de flujo, la velocidad de filtración, etc. Dentro de estos últimos,
se encuentran los filtros rápidos de arena cuyas partes principales son: cámara del
filtrado (tanque), medio filtrante (arena), soporte de grava, sistema de drenaje y
canaletas de lavado (PEREZ DE LA CRUZ y URREA 2011).

La cámara de filtrado generalmente está hecha de hormigón armado y está llena

de arena y grava que en conjunto tienen una altura aproximada de entre 1.5 - 2
metros. Por lo general, la arena es el material más empleado como medio filtrante.
Es la encargada de retener las partículas sólidas en suspensión, mientras que la
función de la grava es servir de lecho donde reposa la arena, así como permitir
que el agua filtrada fluya hacia el drenaje. El tamaño efectivo de la arena de la
capa filtrante oscila entre 0.5 y 1.5 mm de diámetro, mientras que el tamaño de la
grava de la base puede oscilar entre 35 y 130 mm, dispuesta en capas de menor a
mayor grosor (PEREZ DE LA CRUZ y URREA 2011; WHO 1996).

El agua cruda es alimentada al tanque por la parte superior del filtro y se va

filtrando (descendiendo) a través del lecho filtrante de arena hasta que llega al
fondo de la cámara donde un sistema de tubos perforados en el fondo drena el
agua filtrada. Para forzar a que el agua se mueva a través del medio filtrante
siempre debe mantenerse a un nivel de entre 1.5 a 2 metros de altura de agua
sobre la arena. La cámara del filtrado puede construirse como un tanque abierto,
llamado filtro rápido por gravedad, o uno cerrado, denominado filtro a presión
(WHO 1996).
 Partes de un filtro rápido de arena abierto. Fuente: BARRIOS et al. 2009, p.44

Filtro a presión de arena. Fuente: BARRIOS et al. 2009, p.45

El proceso se lleva a cabo en el medio filtrante donde quedan adsorbidas las
partículas sólidas y está determinado por dos principios físicos básicos. En primer
lugar, las partículas suspendidas relativamente grandes se atascan entre los
granos de arena cuando pasan por el medio filtrante, es decir, esfuerzo mecánico.
En segundo lugar, las partículas más pequeñas se adhieren a la superficie de los
granos de arena causados por el efecto de las fuerzas de van der Waals, o sea,
adsorción física. Se puede agregar un coadyuvante químico de filtración (es decir,
coagulante o floculante) para estimular que las partículas más pequeñas se unan
entre sí, lo que hace posible que se filtren con mayor eficacia (SCHMITT &
SHINAULT 1996).

Principios físicos básicos de la filtración. Fuente: adaptado de SCHMITT &

SHINAULT 1996

A medida que sigue el proceso, se van acumulando más y más partículas en el

medio filtrante. Esto causa un incremento en la obstrucción de los filtros y, con
ello, una disminución del rendimiento. El rendimiento inicial del filtrado se puede
volver a recuperar tras una limpieza del lecho filtrante. Esto, generalmente, se
lleva a cabo mediante un lavado a contracorriente o retrolavado. Es decir, el flujo
de agua es invertido haciendo que el agua tratada fluya hacia atrás a través del
filtro. La arena se vuelve a suspender y la materia sólida se separa en el agua
superficial. Con frecuencia, se inyecta aire para favorecer el proceso de limpieza
en el retrolavado (WHO 1996). Tan pronto como la mayoría de las partículas
acumuladas en el filtro se eliminan por lavado y el agua que fluye hacia atrás
queda clara, el filtro se puede volver a poner en funcionamiento. El proceso
completo puede tomar unos 15 minutos aproximadamente. Claramente, se
generan cantidades relativamente grandes de lodo a través del retrolavado y
requieren de algún tipo de tratamiento antes de su descarga al medio ambiente
(UNEP 1998).

Idoneidad

La filtración rápida de arena requiere instalaciones técnicas complejas,

trabajadores calificados para su construcción y operación, así como grandes
insumos energéticos. Por sí sola el agua filtrada no es segura de beber, por lo que
se hace necesario acompañarla tanto de un pretratamiento
(coagulación/floculación) como de una desinfección, que por lo general es con
cloro.  Por este motivo, la aplicación de esta tecnología se deja para áreas
urbanas donde la superficie disponible es un factor limitante y se tienen suficientes
recursos y capacidades; no obstante, se debe hacer un estudio exhaustivo para
medir la factibilidad de usarlos en zonas rurales. De los escenarios que se
plantean, este tratamiento es idóneo para poblados de aproximadamente 2500
habitantes que tengan capacidades y recursos y con disposición óptima de
agua para mantener no sólo un suministro continuo del mismo, sino también un
alto rendimiento del proceso. Este escenario es acorde con los sistemas de
abastecimiento de agua por gravedad con tratamiento y de abastecimiento
comunal por bombeo, con tratamiento, que con idóneos cuando las fuentes son
superficiales como ríos y riachuelos o lagos, lagunas y embalses.
La filtración rápida de arena es un método altamente eficaz para eliminar la
turbidez si se aplica correctamente (BRIKKE & BREDERO 2003). Igualmente, los
sólidos formados durante el pretratamiento, es decir, cuando se usa la
coagulación-floculación, se filtran. Cuando estos filtros operan de forma efectiva
reducen la turbidez a menos de 1 NTU y, a menudo, menos de 0.1 NTU (WHO
1996). No obstante, para la eliminación de la mayoría de los otros contaminantes,
no son efectivos. Pero si se combina con medidas adecuadas de pretratamiento y
desinfección final, la filtración rápida de arena producirá agua potable. En el
siguiente cuadro se puede ver el comportamiento típico de los filtros rápidos de
arena siempre y cuando el agua dulce haya sido pretratada con coagulación y
floculación.

Comportamiento típico del tratamiento de los filtros de arena rápidos con pretratamiento.