Los filtros lentos de arena se utilizan en la purificación de agua para tratar el agua cruda y producir un producto potable . Suelen tener una profundidad de 1 a 2 m (3,3 a 6,6 pies), pueden tener una sección transversal rectangular o cilíndrica y se utilizan principalmente para tratar aguas superficiales. La longitud y la anchura de los tanques están determinadas por el caudal deseado para los filtros, que suelen tener una tasa de carga de 200 a 400 litros (0,20 a 0,40 m 3 ) por metro cuadrado por hora.
Los filtros de arena lentos se diferencian de todos los demás filtros utilizados para tratar el agua potable en que funcionan mediante el uso de una biopelícula compleja que crece de forma natural en la superficie de la arena. La arena en sí no realiza ninguna función de filtración, sino que simplemente actúa como sustrato, a diferencia de sus homólogos para tratamientos ultravioleta y presurizados. Aunque suelen ser la tecnología preferida en muchos países en desarrollo debido a sus bajos requisitos de energía y su sólido rendimiento, también se utilizan para tratar el agua en algunos países desarrollados, como el Reino Unido , donde se utilizan para tratar el agua suministrada a Londres . Los filtros de arena lentos también se están probando actualmente para el control de patógenos de soluciones nutritivas en sistemas hidropónicos.
El primer uso documentado de filtros de arena para purificar el suministro de agua data de 1804, cuando el propietario de una blanqueadora en Paisley, Escocia , John Gibb, instaló un filtro experimental creado por el ingeniero Robert Thom , vendiendo su excedente no deseado al público. [1] [2] Este método fue refinado en las dos décadas siguientes por ingenieros que trabajaban para compañías de agua privadas, y culminó en el primer suministro público de agua tratada del mundo, instalado por el ingeniero James Simpson para la Chelsea Waterworks Company en Londres en 1829. [3] [4] Esta instalación proporcionó agua filtrada a todos los residentes de la zona, y el diseño de la red fue ampliamente copiado en todo el Reino Unido en las décadas siguientes.
La práctica del tratamiento del agua pronto se convirtió en algo común, y las virtudes del sistema se hicieron evidentes después de las investigaciones del médico John Snow durante el brote de cólera de Broad Street en 1854. Snow era escéptico ante la teoría del miasma, entonces dominante , que afirmaba que las enfermedades eran causadas por "aires malos" nocivos. Aunque la teoría de los gérmenes de la enfermedad aún no se había desarrollado, las observaciones de Snow lo llevaron a descartar la teoría predominante. Su ensayo de 1855 Sobre el modo de comunicación del cólera demostró de manera concluyente el papel del suministro de agua en la propagación de la epidemia de cólera en Soho , [5] con el uso de un mapa de distribución de puntos y una prueba estadística para ilustrar la conexión entre la calidad de la fuente de agua y los casos de cólera. Sus datos convencieron al consejo local de desactivar la bomba de agua, lo que rápidamente puso fin al brote.
La Ley del Agua Metropolitana introdujo la regulación de las compañías de suministro de agua en Londres , incluyendo estándares mínimos de calidad del agua por primera vez. La Ley "estableció disposiciones para asegurar el suministro a la Metrópolis de agua pura y saludable", y requirió que toda el agua fuera "efectivamente filtrada" a partir del 31 de diciembre de 1855. [6] Esto fue seguido por una legislación para la inspección obligatoria de la calidad del agua, incluyendo análisis químicos exhaustivos, en 1858. Esta legislación sentó un precedente mundial para intervenciones estatales de salud pública similares en toda Europa . La Comisión Metropolitana de Alcantarillados se formó al mismo tiempo, la filtración de agua se adoptó en todo el país y se establecieron nuevas tomas de agua en el Támesis por encima de la esclusa de Teddington .
El tratamiento del agua llegó a los Estados Unidos en 1872, cuando Poughkeepsie, Nueva York , inauguró la primera planta de filtración lenta de arena, [7] reduciendo drásticamente los casos de cólera y fiebre tifoidea que habían estado afectando gravemente a la comunidad local. Los criterios de diseño de Poughkeepsie se utilizaron en todo el país como modelo para otros municipios. La planta de tratamiento original de Poughkeepsie funcionó de forma continua durante 87 años antes de ser reemplazada en 1959. [8]
Los filtros de arena lentos funcionan mediante la formación de una capa gelatinosa (o biopelícula ) llamada capa hipogea o Schmutzdecke en los primeros milímetros de la capa de arena fina. La Schmutzdecke se forma en los primeros 10 a 20 días de funcionamiento [9] y está compuesta por bacterias , hongos , protozoos , rotíferos y una variedad de larvas de insectos acuáticos. A medida que una biopelícula epigea envejece, tienden a desarrollarse más algas y pueden estar presentes organismos acuáticos más grandes, incluidos algunos briozoos , caracoles y gusanos anélidos . La biopelícula superficial es la capa que proporciona la purificación efectiva en el tratamiento de agua potable, la arena subyacente proporciona el medio de soporte para esta capa de tratamiento biológico. A medida que el agua pasa a través de la capa hipogea, las partículas de materia extraña quedan atrapadas en la matriz mucilaginosa y el material orgánico soluble se adsorbe . Los contaminantes son metabolizados por las bacterias, hongos y protozoos. El agua producida a partir de un filtro de arena lento ejemplar es de excelente calidad, con una reducción del recuento de células bacterianas del 90 al 99 %. [10] Normalmente, en el Reino Unido, los filtros de arena lentos tienen una profundidad de lecho de 0,3 a 0,6 metros que comprende de 0,2 a 0,4 mm de arena. El rendimiento es de 0,25 m/h. [11]
Los filtros de arena lentos pierden lentamente su rendimiento a medida que la biopelícula se espesa y, por lo tanto, reduce la velocidad de flujo a través del filtro. Finalmente, es necesario renovar el filtro. Para ello, se utilizan dos métodos. En el primero, se raspan los primeros milímetros de arena fina para exponer una nueva capa de arena limpia. A continuación, se decanta el agua de nuevo en el filtro y se hace recircular durante unas horas para permitir que se desarrolle una nueva biopelícula. A continuación, el filtro se llena hasta su volumen máximo y se vuelve a poner en servicio. [10] El segundo método, a veces llamado rastrillado húmedo, implica bajar el nivel del agua justo por encima de la capa hipogea, removiendo la arena; de este modo, precipitan los sólidos retenidos en esa capa y permiten que el agua restante se lave a través de la arena. A continuación, la columna de filtro se llena hasta su capacidad máxima y se vuelve a poner en servicio. El rastrillado húmedo puede permitir que el filtro vuelva a ponerse en servicio más rápidamente. [9]
Los filtros de arena lentos tienen una serie de cualidades únicas:
Si bien muchas plantas de tratamiento de agua municipales tendrán 12 o más lechos filtrantes en uso al mismo tiempo, es posible que comunidades o hogares más pequeños solo tengan uno o dos lechos filtrantes.
En la base de cada lecho hay una serie de drenajes en espiga que están cubiertos con una capa de guijarros que a su vez está cubierta con grava gruesa. Se colocan más capas de arena encima, seguidas de una capa gruesa de arena fina. La profundidad total del material filtrante puede ser de más de 1 metro, la mayoría del cual será material de arena fina. Encima del lecho de arena se encuentra una capa sobrenadante de agua no purificada.
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