Los filtros de arena rápidos utilizan arena gruesa como medio de filtración para eliminar los sólidos finos en suspensión del agua con distintos niveles de turbiedad. Se trata de una etapa de pretratamiento previa a un proceso de desinfección final, como la cloración T.6 y se puede usar en todas las fases de una emergencia.

Los filtros rápidos de arena constan de un tanque o depósito que contiene el medio filtrante con un soporte de grava en la base, un sistema de sumidero para recoger el agua filtrada e inyectar el agua de retrolavado y canaletas a lo largo de la parte superior del filtro (0,5 metros por encima del lecho filtrante sin expandir) para recoger el agua de retrolavado. Los filtros rápidos de arena eliminan principalmente las partículas del agua mediante procesos físicos, el más importante de los cuales es la adsorción, aunque la sedimentación y el filtrado también desempeñan un papel. Los filtros rápidos de arena requieren retrolavado. Los filtros rápidos de arena presurizados suelen formar parte de unidades compactas de tratamiento de agua diseñadas para emergencias.

Consideraciones de diseño

Los filtros rápidos de arena pueden utilizarse directamente o en combinación con otros procesos de pretratamiento, según la turbiedad del agua cruda. Funciona bien cuando la calidad del agua cruda se encuentra alrededor de los 25 NTU (donde NTU es una medida de la turbiedad). Para una mayor turbiedad (hasta 100 NTU), la filtración rápida de arena puede combinarse con una forma híbrida de filtro de desbaste de flujo ascendente T.1 con caudales superiores a los normales. Para agua con más de 100 NTU se puede utilizar un filtro de desbaste estándar T.1 o una sedimentación convencional (asistida) T.4 . Los filtros rápidos de arena reducen la turbiedad al menos en un 90 % con el objetivo de alcanzar una turbiedad adecuada para el proceso de tratamiento posterior (es decir, menos de 5 NTU para la cloración T.6 o unas 10 NTU para la filtración lenta en arena T.9 ). También pueden reducir las bacterias en un 60 % a 90 %, dependiendo de las condiciones, y pueden reducir ligeramente el color, el sabor y los metales pesados. En el caso de las aguas subterráneas con alto contenido en hierro y manganeso, suelen utilizarse después de la aireación para filtrar los precipitados. La arena es el medio de filtración más utilizado y debe tener un tamaño bastante uniforme con un rango efectivo de 0,4 a 1,2 mm. A veces se añade una capa más gruesa sobre la arena (por ejemplo, antracita o cáscaras de coco) para reducir la tasa de obstrucción. La dirección del caudal puede ser descendente o ascendente y el agua se impulsa por bombeo o por gravedad. En las aplicaciones descentralizadas, los filtros de caudal descendente por gravedad se instalan principalmente para facilitar la inspección y el mantenimiento. Los filtros a presión (o filtros cerrados) hacen posible recorridos de filtrado más largos y se utilizan en entornos industrializados y kits de tratamiento de agua de emergencia. Pueden funcionar con un caudal de entre 15 y 30 m/hora (una compactación de m³/m²/hora). Los filtros de gravedad (o filtros abiertos) están abiertos a la presión atmosférica y funcionan entre 5 y 15 m/hora. Incluso con ajuste (controlando el caudal con válvulas), el caudal se reducirá después de algunos días, momento en el que el retrolavado se lleva a cabo en el modo de caudal ascendente utilizando bombas o gravedad. Si se realiza por gravedad, requiere un tanque de agua limpia instalado a una altura suficiente por encima de los canales de retrolavado del filtro para proporcionar el caudal de retrolavado deseado (una diferencia de altura de 4 a 6 metros suele ser suficiente). En el caso de los filtros a presión, una caída de presión (de alrededor de 0,5 bares con un caudal estable) es un indicio de obstrucción. A la hora de diseñar es importante tener en cuenta que un filtro de arena pura se dilata hasta un 30 % durante el retrolavado.

Materiales

Los materiales incluyen el compartimento o compartimentos del filtro, el sistema de entrada y salida de agua con mecanismo de control, el sistema de sumidero, el medio filtrante, las bombas (o el tanque de agua elevado) y el sistema de aire comprimido (opcional) para el retrolavado.

Aplicabilidad

Los filtros rápidos de arena requieren suficiente capacidad local y recursos financieros (por ejemplo, en contextos urbanos o industrializados más grandes). Como filtros de presión, pueden utilizarse en las fases crítica y de estabilización de una emergencia. Las unidades a mayor escala son posibles en la fase de recuperación (probar las características del agua, seguido de una pequeña planta piloto).

Operación y mantenimiento

Los requisitos de O&M son significativos y las principales tareas están relacionadas con el control del caudal y el retrolavado.
El retrolavado es frecuente, cada 0,5 a 2 días durante un máximo de 30 minutos. Cuando el agua cruda es turbia y los intervalos entre retrolavados son inferiores a 6 horas, deben considerarse cambios en el diseño. El operador debe asegurarse de que el caudal de retrolavado es lo suficientemente alto como para expandir el lecho filtrante, pero lo suficientemente bajo como para que el material filtrante no sea arrastrado fuera de los canales de lavado (al menos 0,5 metros por encima del lecho filtrante no expandido). Las velocidades de retrolavado varían de 12 a 90 m/hora en función del tamaño de la arena y de la temperatura ambiente (es posible mayor lentitud a temperaturas más bajas). En algunos filtros también puede utilizarse aire comprimido para el retrolavado. Las capas de grava situadas bajo la arena gruesa soportan el medio y evitan que el desagüe se obstruya con arena. El procedimiento de retrolavado no debe desplazar la grava. También será necesario un mantenimiento general de la planta (por ejemplo, aplicar agentes anticorrosivos a las piezas metálicas, lubricar las válvulas).

Salud y seguridad

La filtración rápida en arena es un método de pretratamiento y no debe utilizarse como proceso de tratamiento en un solo paso para el agua potable. El lodo desprendido durante el retrolavado debe eliminarse de forma segura cuando se haya utilizado la coagulación como parte del sistema para evitar que entren en el suministro de agua metales como el aluminio.

Costos

Los costos de capital para el filtro pueden variar en el rango de los USD 100/m³/día de capacidad. Los costos corrientes de O&M se sitúan en torno a los USD 13/m³/día de capacidad, cifra superior a la de los filtros lentos de arena T.9 debido a una supervisión más frecuente y al bombeo para el retrolavado. Tan solo para el retrolavado se necesitan hasta 180 horas de trabajo al año. Los costos pueden reducirse diseñando bombas más pequeñas para bombear a un tanque de agua elevado en lugar de bombas más grandes para el retrolavado.

Consideraciones medioambientales y sociales

Los usuarios y las instituciones aceptan bien los filtros rápidos de arena, ya que mejoran visiblemente la turbiedad. Establecerla como nueva tecnología requiere formación, desarrollo de la capacidad de O&M y voluntad del personal local. El lodo producido durante el retrolavado del filtro debe tratarse (deshidratado) y eliminarse de forma segura. La eliminación de lodo sin tratar en el medio ambiente puede provocar riesgos sanitarios y medioambientales.