Un filtro de bioarena (BSF) es un sistema de tratamiento de agua en el punto de uso adaptado de los filtros de arena lentos tradicionales . Los filtros de bioarena eliminan patógenos y sólidos suspendidos del agua mediante procesos biológicos y físicos que tienen lugar en una columna de arena cubierta con una biopelícula . Se ha demostrado que los BSF eliminan metales pesados, turbidez , bacterias, virus y protozoos. [1] [2] Los BSF también reducen la decoloración, el olor y el sabor desagradable. Los estudios han demostrado una correlación entre el uso de BSF y una disminución en la aparición de diarrea . [3] Debido a su eficacia, facilidad de uso y falta de costos recurrentes, los filtros de bioarena a menudo se consideran una tecnología apropiada en los países en desarrollo. Se estima que más de 200.000 BSF están en uso en todo el mundo. [1]
El filtro de bioarena doméstico fue propuesto por el Dr. David Manz a finales de los años 1980 en la Universidad de Calgary , Canadá. [4] El sistema se desarrolló a partir del filtro de arena lento , una tecnología que se ha utilizado para la purificación de agua potable desde el siglo XIX. [3] Las pruebas iniciales de laboratorio y de campo se llevaron a cabo en 1991; el sistema fue patentado en 1993 [4] y se implementó en el campo en Nicaragua . La empresa canadiense sin fines de lucro Center for Affordable Water and Sanitation Technology ( CAWST ) fue cofundada en 2001 por David Manz y Camille Dow Baker para promover la educación y la capacitación en la purificación y el saneamiento del agua, incluido el uso de esta tecnología, y para continuar desarrollándola. [3]
Los filtros de bioarena suelen estar construidos de hormigón o plástico. [3] En la parte superior del filtro, una tapa bien ajustada evita que la contaminación y las plagas no deseadas entren en el filtro. Debajo de esta, la placa difusora evita que se altere la biopelícula cuando se vierte agua en el filtro. Luego, el agua pasa por la columna de arena, que elimina los patógenos y los sólidos suspendidos. Debajo de la columna de arena, una capa de grava evita que la arena entre en la capa de drenaje y obstruya el tubo de salida. Debajo de la capa de separación se encuentra la capa de drenaje que consiste en grava más gruesa que evita que se obstruya cerca de la base del tubo de salida. [3]
Los patógenos y los sólidos suspendidos se eliminan mediante procesos biológicos y físicos que tienen lugar en la biocapa y la capa de arena. Estos procesos incluyen:
El alto nivel de agua ( carga hidráulica ) en la zona del depósito de entrada empuja el agua a través del difusor y el filtro, y luego disminuye a medida que el agua fluye uniformemente a través de la arena. El caudal disminuye porque hay menos presión para forzar el paso del agua a través del filtro. El agua de entrada contiene oxígeno disuelto, nutrientes y contaminantes. Proporciona el oxígeno que necesitan los microorganismos de la biopelícula. Las partículas grandes suspendidas y los patógenos quedan atrapados en la parte superior de la arena y tapan parcialmente los espacios porosos entre los granos de arena. Esto hace que el caudal disminuya. [1]
El tiempo de inactividad suele comprender más del 80% del ciclo diario; durante este tiempo, es probable que los procesos de atenuación microbiana sean significativos. La mayor parte de la eliminación ocurre donde el agua está en contacto con la biopelícula. No se han identificado los procesos que ocurren en la biopelícula. [1] Cuando la capa de agua estancada alcanza el nivel del tubo de salida, el flujo se detiene. Idealmente, este nivel debería ser lo suficientemente alto como para mantener húmeda la biopelícula en la capa de arena y permitir que el oxígeno se difunda a través del agua estancada hasta la biocapa. [1] El período de pausa permite que los microorganismos en la biocapa consuman los patógenos y nutrientes en el agua. La velocidad de flujo a través del filtro se restablece a medida que se consumen. Si el período de pausa es demasiado largo, la biocapa consumirá todos los patógenos y nutrientes y morirá, lo que reducirá la eficiencia del filtro cuando se vuelva a utilizar. El período de pausa debe ser de entre 1 y 48 horas. [1] Los patógenos en la zona no biológica mueren por falta de nutrientes y oxígeno. [1]
Con el tiempo, las partículas se acumulan entre los granos de arena del filtro. A medida que se vierte más agua, se forma una biopelícula a lo largo de la parte superior de la placa difusora. Ambos fenómenos provocan una disminución del caudal (obstrucción y bioobstrucción ). Aunque los caudales más lentos generalmente mejoran la filtración de agua debido al tiempo de inactividad [APS1], pueden volverse demasiado lentos para la comodidad de los usuarios. Si los caudales caen por debajo de 0,1 litros/minuto, CAWST recomienda realizar un mantenimiento. [2] La técnica de limpieza de "remolino y vaciado" o de rastrillado húmedo se utiliza para restablecer el caudal. Se vierte aproximadamente 1 galón estadounidense (3,8 L) en el filtro antes de limpiarlo (suponiendo que el filtro esté vacío). Luego, la capa superior de arena se hace girar en un movimiento circular. El agua sucia del remolino se vierte y la arena se alisa en la parte superior. Este proceso se repite hasta que se restablece el caudal. [2] También se recomienda limpiar la placa difusora, el tubo de salida, la tapa y las superficies externas de los filtros con regularidad. [2] La sostenibilidad y eficacia a largo plazo de los filtros de bioarena dependen de la educación y el apoyo de personal de soporte capacitado. [5]
Clean Water for Haiti, una organización sin fines de lucro en Haití, implementa un programa de educación y seguimiento posterior a la instalación del filtro de bioarena. El programa incluye visitas a los hogares de los beneficiarios después de uno, tres y doce meses y otra a los cinco años de la fecha de instalación. Durante cada visita, los beneficiarios reciben instrucciones repetidas sobre prácticas de agua segura y cómo cuidar el filtro. Según los datos recopilados desde 2010, entre el 94% y el 99% de los filtros todavía se utilizan regularmente 12 meses después de la instalación. [6]
Los resultados de las reducciones de turbidez varían según la turbidez del agua de entrada. El agua turbia contiene arena, limo y arcilla. [2] La turbidez de la alimentación en un estudio varió de 1,86 a 3,9 NTU. En un estudio, el agua se obtuvo de grifos de muestra de plantas de tratamiento de agua de tres embalses locales. Se vertió a través de un filtro de arena lento y los resultados mostraron que la turbidez disminuyó a una media de 1,45 NTU. [1] En otro estudio que utilizó agua superficial, se observó una reducción del 93% en la turbidez. [7] A medida que la biopelícula sobre la arena madura, aumenta la eliminación de turbidez. [1] Aunque los filtros de bioarena eliminan mucha turbidez, los filtros de arena lentos, que tienen una tasa de filtración más lenta, eliminan más. [1]
Existen pocas investigaciones sobre la eliminación de metales pesados mediante filtros de bioarena. En un estudio realizado en Sudáfrica, el filtro eliminó aproximadamente el 64 % del hierro y el 5 % del magnesio. [7]
En estudios de laboratorio, se ha descubierto que el filtro de bioarena elimina entre el 98 y el 99 % de las bacterias. [7] En la eliminación de Escherichia coli , se descubrió que el filtro de bioarena puede aumentar debido a la formación de biopelículas durante aproximadamente dos meses. La eliminación después de este tiempo varió entre el 97 y el 99,99 % según el volumen diario de agua y el porcentaje de efluente primario agregado. La adición de efluente primario o agua residual facilita el crecimiento de la biopelícula que ayuda a la muerte bacteriana. [1] Las investigaciones muestran que los filtros de bioarena que se utilizan en el campo eliminan menos bacterias que los que se utilizan en un entorno controlado. En una investigación realizada en 55 hogares de Bonao , República Dominicana, la reducción promedio de E. coli fue de aproximadamente el 93 por ciento. [8]
Las pruebas de laboratorio han demostrado que, si bien los filtros reducen cantidades significativas de E. coli, eliminan una cantidad significativamente menor de virus porque estos son más pequeños. En un estudio en el que se utilizaron bacteriófagos, la eliminación de virus osciló entre el 85 % y el 95 % después de 45 días de uso. [1] Un estudio reciente ha sugerido que la eliminación de virus aumenta significativamente con el tiempo, alcanzando el 99,99 % después de aproximadamente 150 días. [9]
En una prueba de laboratorio, el filtro de bioarena eliminó más del 99,9 % de los protozoos . En pruebas para un tipo de protozoo, Giardia lamblia , el filtro eliminó el 100 % en 29 días de uso. Eliminó el 99,98 % de los ooquistes de otro protozoo, Cryptosporidium sp. , posiblemente debido a su menor tamaño. Esta eliminación fue comparable con la del filtro de arena lento. [10]
Estudios realizados en la República Dominicana y Camboya por la Universidad de Carolina del Norte y la Universidad de Nevada muestran que el uso de filtros de bioarena redujo la incidencia de enfermedades diarreicas en un 47% en todos los grupos de edad. [11] En un estudio realizado por CAWST en Haití, el 95% de 187 hogares creían que la calidad del agua había mejorado desde que usaban filtros de bioarena para limpiarla. El 80% de los usuarios afirmó que la salud de sus familias había mejorado desde la implementación. Estas percepciones de salud sobre el uso de filtros de bioarena han demostrado ser más positivas en los usuarios a largo plazo. [8]
Los filtros de hormigón son el tipo más extendido de filtro de bioarena. El hormigón es generalmente preferible a otros materiales debido a su bajo coste, amplia disponibilidad y la posibilidad de construirse en el lugar. CAWST distribuye abiertamente los planos del filtro de hormigón. Se han desarrollado varias versiones. El filtro de bioarena CAWST versión 9 está construido con una tasa de carga máxima más alta. Aunque el agua filtrada supera los estándares de calidad del agua de la EPA, no es óptima. [12] Investigaciones recientes establecen que el tiempo de contacto entre el agua y el material granular es el determinante principal en la purificación del agua. El filtro de bioarena CAWST versión 10 tiene esto en cuenta; el volumen del depósito de agua es igual al volumen del espacio poroso de la capa de arena. La tasa de carga máxima se redujo en un 33% para garantizar que el agua estancada esté en contacto constante con el material granular. [12]
Los filtros de Bioarena para hormigón se fabrican normalmente con moldes de acero. CAWST distribuye abiertamente los planos de los moldes de acero.
Clean Water for Haiti, una organización sin fines de lucro con sede en Camp Marie, Haití, fabrica los filtros de bioarena utilizando una adaptación del molde de acero. [13]
La organización sin fines de lucro OHorizons ha diseñado un molde de madera, basado en el filtro de la versión 10 de CAWST, que puede funcionar como una alternativa de bajo costo. Los planos para un molde de madera están disponibles abiertamente en el sitio web de OHorizons. [14]
Los filtros de plástico se construyen a partir de barriles de plástico, generalmente fabricados fuera del sitio. Los filtros de bioarena Hydraid se construyen a partir de plástico de grado médico con resistencia a la luz ultravioleta . [15]
Un filtro de bioarena de acero inoxidable desarrollado por ingenieros de SM Sehgal Foundation , una ONG con sede en Gurugram (antes Gurgaon), India, ha demostrado tener un mejor rendimiento que sus homólogos de hormigón y una mayor oportunidad de aplicación y adopción en diferentes condiciones geográficas. El alto coste del plástico impide su uso en la India rural. El filtro de acero inoxidable, llamado JalKalp, ofrece una mayor tasa de filtración y una mejor portabilidad (que los modelos de hormigón) y un mejor control de calidad de producción. Los filtros de hormigón son propensos a romperse y pueden resultar difíciles de transportar debido a su peso (65 kg), lo que los hace inadecuados especialmente en zonas rurales remotas o montañosas. Los problemas de calidad habituales son las variaciones en el material de construcción y los defectos de fabricación. Además, la eflorescencia debida a las sales en el agua reduce la vida útil del filtro de hormigón. El filtro de bioarena de acero inoxidable ligero (4,5 kg) de nuevo desarrollo tiene una ventaja sobre los filtros de hormigón, ya que supera cada una de esas deficiencias y proporciona un mejor control de calidad. Además de mejorar su aspecto, el acero inoxidable aumenta la resistencia, la fiabilidad, la durabilidad y la portabilidad del filtro. Las pruebas de calidad del agua demuestran la eficacia de JalKalp contra E. coli, coliformes totales, turbidez y contaminación por hierro. Este filtro integra las propiedades germicidas del cobre con la filtración convencional. La introducción de una lámina de cobre en la zona de drenaje del filtro JalKalp ha aumentado la eliminación de coliformes totales y E. coli al 100% del agua contaminada. La Fundación SM Sehgal [16] promueve el modelo, que no requiere electricidad, en toda la India a través de asociaciones con organizaciones afines para beneficiar a la mayor cantidad posible de familias rurales. [17] [18]
Existen desafíos para crear filtros de agua de bioarena en los países en desarrollo. Muchos carecen de la capacidad profesional para construir los moldes de metal en los que verter el hormigón. También es posible que no se encuentren tamaños de malla adecuados para tamizar las capas de arena. En Nicaragua, es posible que encuentre trabajadores del metal capaces de soldar varillas de refuerzo para la construcción de viviendas, sin embargo, no encontrará equipos para doblar láminas de metal para crear los moldes de metal. La arena no se vende en ferreterías como en los Estados Unidos. Lo más probable es que se compre en camionetas de lechos de arroyos o pozos y la única malla disponible es de 1/4 de pulgada, que es demasiado grande. Cuando viaje a un país del tercer mundo, puede que sea mejor llevar consigo las mallas adecuadas.
Otro problema que enfrenta el uso de los filtros es su adopción. Muchos proyectos pueden brindar asistencia para la construcción de los filtros de agua y algunos incluso pueden distribuirlos, pero lograr que los ciudadanos del país anfitrión los usen requiere mucha más dedicación. Es necesario conectar a la gente con los propietarios de los filtros de agua para insistir en que utilicen los dispositivos y lograr que adquieran el hábito de usarlos. De lo contrario, muchos de los filtros se abandonan y se dejan sin vigilancia en las calles. La simple distribución de los filtros no es suficiente para su adopción.
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