Filtro de bioarena

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 requieren los microorganismos en la biopelícula. Las partículas grandes en suspensión y los patógenos quedan atrapados en la superficie de la arena y obstruyen parcialmente los espacios porosos entre los granos de arena. Esto provoca una disminución del caudal. ^{[ 1 ]}

El tiempo de inactividad generalmente comprende 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. Los procesos que ocurren en la biopelícula no se han identificado. ^{[ 1 ]} Cuando la capa de agua estancada alcanza el nivel del tubo de salida, el flujo se detiene. Idealmente, esto 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 hacia la biocapa. ^{[ 1 ]} El período de pausa permite que los microorganismos en la biocapa consuman los patógenos y nutrientes en el agua. La tasa 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, reduciendo la eficiencia del filtro cuando se vuelva a usar. 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 ]}

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 entrada en un estudio osciló entre 1,86 y 3,9 NTU. En un estudio, se obtuvo agua de grifos de muestras 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 madura el biofilm sobre la arena, 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 encontrado que el filtro de biosarena elimina aproximadamente el 98-99% de las bacterias. ^{[ 7 ]} En la eliminación de Escherichia coli, se encontró que el filtro de biosarena puede aumentar debido a la formación de biopelícula durante aproximadamente dos meses. La eliminación después de este tiempo varió del 97-99.99% dependiendo del volumen diario de agua y el porcentaje de efluente primario agregado. La adición de efluente primario o aguas residuales facilita el crecimiento de la biopelícula, lo que ayuda a la muerte bacteriana. ^{[ 1 ]} La investigación muestra que los filtros de biosarena en uso en el campo eliminan menos bacterias que los que se encuentran en un ambiente 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 muchos menos virus debido a su menor tamaño. En un estudio con bacteriófagos, la eliminación de virus osciló entre el 85 % y el 95 % tras 45 días de uso. ^{[ 1 ]} Un estudio reciente sugiere 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 arena biológica eliminó más del 99,9 % de los protozoos . En pruebas con un tipo de protozoo, Giardia lamblia , el filtro eliminó el 100 % durante 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 a la del filtro de arena lenta. ^{[ 10 ]}

Los filtros de hormigón son el tipo más extendido de filtro de bioarena. El hormigón suele preferirse a otros materiales debido a su bajo coste, amplia disponibilidad y la posibilidad de construirlo in situ. Los planos del filtro de hormigón son distribuidos abiertamente por CAWST. Se han desarrollado varias versiones. El filtro de bioarena CAWST Versión 9 se construye con una tasa de carga máxima más alta. Aunque el agua filtrada cumple con 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 principal determinante 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 asegurar que el agua estancada esté en contacto constante con el material granular. ^{[ 12 ]}

Los filtros de bioarena de hormigón se fabrican normalmente utilizando moldes de acero. CAWST distribuye abiertamente los planos para la fabricación de dichos moldes.

Clean Water for Haiti, una organización sin fines de lucro con sede en Camp Marie, Haití, fabrica los filtros de biosarena 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 versión 10 de CAWST, que puede funcionar como una alternativa de bajo costo. Los planos del molde de madera están disponibles públicamente en el sitio web de OHorizons. ^{[ 14 ]}

Los filtros de plástico se fabrican a partir de barriles de plástico, generalmente formados fuera de las instalaciones. Los filtros de bioarena Hydraid se fabrican con plástico de grado médico con resistencia a los rayos ultravioleta . ^{[ 15 ]}

Un biofiltro de arena de acero inoxidable desarrollado por ingenieros de la Fundación SM Sehgal , una ONG con sede en Gurugram (antes Gurgaon), India, ha demostrado un mejor rendimiento que sus homólogos de hormigón y ofrece mayores oportunidades de aplicación y adopción en diferentes condiciones geográficas. El alto costo del plástico limita su uso en las zonas rurales de la India. El filtro de acero inoxidable, llamado JalKalp, ofrece una mayor tasa de filtración, mejor portabilidad (que los modelos de hormigón) y un mejor control de calidad en la producción. Los filtros de hormigón son propensos a romperse y 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 más comunes son las variaciones en el material de construcción y los defectos de fabricación. Además, la eflorescencia causada por las sales en el agua reduce la vida útil del filtro de hormigón. El nuevo  biofiltro de arena de acero inoxidable, ligero (4,5 kg), supera a los filtros de hormigón, corrigiendo cada una de estas deficiencias y proporcionando un mejor control de calidad. Además de mejorar su apariencia, 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 este modelo, que no requiere electricidad, en toda la India mediante alianzas con organizaciones afines para beneficiar al mayor número posible de familias rurales. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

La creación de filtros de agua de biosarena en países en desarrollo presenta desafíos. Muchos carecen de la capacidad profesional para construir los moldes metálicos donde verter el hormigón. También puede ser difícil encontrar mallas del tamaño adecuado para tamizar las capas de arena. En Nicaragua, es posible encontrar trabajadores metalúrgicos capaces de soldar varillas de refuerzo para la construcción de viviendas; sin embargo, no se dispone de equipos para doblar chapa metálica y crear los moldes. La arena no se vende en ferreterías como en Estados Unidos. Lo más probable es que se compre a granel en lechos de arroyos o canteras, y la única malla disponible es de 6 mm (1/4 de pulgada), que es demasiado grande. Al viajar a un país del tercer mundo, lo mejor es llevar consigo las mallas adecuadas.

Otro problema que dificulta el uso de los filtros es su adopción. Muchos proyectos ofrecen ayuda para su construcción e incluso algunos los distribuyen, pero lograr que la población local los utilice requiere mucha más dedicación. Es necesario contactar con los propietarios de los filtros para insistir en su uso y fomentar su utilización. De lo contrario, muchos filtros quedan abandonados en las calles. Simplemente repartirlos no es suficiente para lograr su adopción.