Filtro de arena para niños

Los filtros de arena son herramientas muy importantes que se usan para limpiar el agua. Son un paso clave en el proceso de purificación del agua, haciéndola segura para beber o para otros usos.

Existen tres tipos principales de filtros de arena:

• Filtros de arena rápidos (que usan la gravedad).
• Filtros de arena de flujo ascendente.
• Filtros de arena lentos.

Los tres tipos se usan mucho en todo el mundo para tratar el agua. Los filtros rápidos y de flujo ascendente a menudo necesitan la ayuda de productos químicos especiales llamados floculantes para funcionar bien. En cambio, los filtros de arena lentos pueden limpiar el agua de forma excelente, eliminando la mayoría de los microorganismos dañinos y mejorando el sabor y el olor, sin necesidad de añadir químicos.

Además de usarse en grandes plantas de tratamiento de agua, los filtros de arena también pueden servir para purificar el agua en los hogares, ya que se construyen con materiales fáciles de conseguir.

Historia de la filtración de agua

La idea de separar materiales usando filtros es muy antigua. Desde hace mucho tiempo, las personas han usado diferentes materiales para filtrar líquidos. Por ejemplo, en la antigüedad, se usaban plantas como juncos para llenar recipientes y separar lo sólido de lo líquido. Los antiguos egipcios también usaban vasijas de arcilla porosa para limpiar el agua, el vino y otros líquidos.

¿Cómo funciona un filtro de arena?

Filtros de arena en una granja de tomates en California

Un filtro de arena es un tipo de filtro de profundidad. Imagina que hay dos formas principales de filtrar partículas sólidas de un líquido:

• Filtros de superficie: Las partículas se quedan en la superficie de un material que permite pasar el líquido.
• Filtros de profundidad: Las partículas se atrapan dentro de un material poroso, como la arena.

Además de los filtros, hay otros sistemas para separar sólidos de líquidos, como tanques donde las partículas se asientan, filtros de malla o máquinas que giran muy rápido como las centrifugadoras.

Los filtros de arena son un ejemplo de filtro de profundidad que usa material granular suelto. Son muy buenos para quitar pequeñas cantidades de partículas finas (muy pequeñas, como las que no se ven a simple vista) del agua. Su principal objetivo es purificar el líquido, no tanto recuperar los sólidos. Por eso, se usan mucho para limpiar aguas residuales o efluentes líquidos.

¿Cómo atrapan las partículas los filtros de arena?

Los filtros de arena funcionan porque las partículas sólidas tienen muchas oportunidades de quedarse pegadas a la superficie de los granos de arena. Cuando el agua fluye a través de la arena, que tiene muchos espacios pequeños, las partículas se acercan a los granos de arena y pueden ser atrapadas de varias maneras:

• Choque directo: La partícula choca directamente con un grano de arena y se queda pegada.
• Atracción: Fuerzas muy pequeñas, como las de Van der Waals, atraen la partícula hacia el grano de arena.
• Carga eléctrica: Las cargas eléctricas en la superficie de la partícula y del grano de arena pueden atraerlas.
• Difusión: Las partículas muy pequeñas se mueven al azar y pueden chocar y quedarse pegadas.

A veces, las partículas pueden ser repelidas si tienen la misma carga eléctrica que la arena. También es posible que las partículas atrapadas se suelten, pero luego pueden ser atrapadas de nuevo más adentro del filtro.

En algunos casos, el agua que va a entrar al filtro de arena necesita un tratamiento previo para que las partículas se atrapen mejor. Esto se puede hacer de varias formas:

• Ajustar la carga eléctrica: Cambiando el pH del agua para que las partículas y la arena se atraigan más.
• Coagulación: Añadir pequeñas cantidades de sustancias que hacen que las partículas se unan.
• Floculación: Añadir polímeros que actúan como "puentes" para que las partículas se peguen entre sí o a la arena, formando grupos más grandes y fáciles de atrapar.

Tipos de funcionamiento de los filtros de arena

Los filtros de arena pueden funcionar con el agua fluyendo hacia arriba o hacia abajo, siendo el flujo hacia abajo el más común. Cuando el agua fluye hacia abajo, puede hacerlo por la presión de una bomba o simplemente por la fuerza de la gravedad.

En general, hay varias categorías de filtros de arena:

• Filtros de arena rápidos (por gravedad).
• Filtros de arena rápidos (por presión).
• Filtros de arena de flujo ascendente.
• Filtros de arena lentos.

Un filtro de arena rápido a presión tiene un diseño donde la arena ocupa la mayor parte del espacio. El agua sin tratar entra por la parte superior, pasa a través de la arena y el agua limpia sale por la parte inferior. Las plantas grandes tienen sistemas para distribuir el agua de manera uniforme. También suelen tener un sistema para controlar el flujo de aire, lo que ayuda a que el agua y el aire se distribuyan bien y evita que el agua fluya demasiado rápido en algunas zonas.

Dos procesos importantes que afectan el funcionamiento de un filtro son la maduración y la regeneración. Al principio, cuando un filtro es nuevo, su eficiencia mejora a medida que atrapa más partículas. Esto se llama maduración del filtro. Durante este tiempo, el agua filtrada puede no ser de la mejor calidad y a veces se necesita volver a tratarla. La regeneración es el proceso para limpiar el filtro y poder usarlo de nuevo. Se eliminan los sólidos que se han acumulado en la arena. Esto se hace mediante un proceso llamado retrolavado, donde el agua (y a veces aire) se bombea en sentido contrario a través del filtro. El agua de retrolavado, que contiene las partículas sucias, puede ser tratada o desechada. El momento de hacer el retrolavado se decide cuando la calidad del agua filtrada baja o cuando el agua ya no puede pasar fácilmente por el filtro.

Diseño de un filtro de arena rápido a presión

Filtro de presión rápida 1=agua sin tratar, 2=agua filtrada, 3=depósito, 4=entrada de agua de lavado, 5=salida de agua de lavado, 6=línea de retracción, 7=aire de barrido, 8=inyector, 9=capa de soporte, 10=arena de filtrado, 11=embudo de lavado, 12=ventilación

Los granos de arena más pequeños ofrecen más superficie para atrapar partículas, lo que limpia mejor el agua. Sin embargo, también requieren más energía para bombear el agua a través del filtro. Por eso, la mayoría de los filtros de arena rápidos a presión usan granos de arena de entre 0.6 y 1.2 milímetros. Si el agua tiene partículas muy grandes, estas pueden tapar rápidamente los poros del filtro. En esos casos, se deben quitar las partículas grandes antes de que el agua llegue al filtro de arena.

Se recomienda que la capa de arena tenga una profundidad de entre 0.6 y 1.8 metros, sin importar para qué se use el filtro.

Los filtros de arena rápidos suelen funcionar con una presión de entrada de 2 a 5 bares. La caída de presión en un filtro limpio es muy baja, pero aumenta a medida que se acumulan partículas. Las partículas se atrapan más en la parte superior del filtro.

Este tipo de filtro puede atrapar partículas muy pequeñas. A medida que se acumulan las partículas, la presión necesaria para que el agua pase por el filtro aumenta. Cuando la presión es demasiado alta o el flujo de agua disminuye mucho, el filtro se limpia con el retrolavado. El agua de retrolavado se bombea hacia atrás a través de la arena hasta que esta se "fluidifica" (los granos de arena se mueven y se frotan, soltando las partículas). Las partículas sucias se van con el agua de retrolavado y se recogen en un tanque. Se pueden perder pequeñas cantidades de arena durante el retrolavado, por lo que a veces es necesario añadir más arena al filtro.

Diseño de un filtro de arena lento

Como su nombre lo indica, los filtros de arena lentos funcionan a una velocidad de filtración menor. La mayor diferencia con los filtros rápidos es que la capa superior de arena se vuelve biológicamente activa. Esto significa que se forman comunidades de microorganismos en ella. Esta capa microbiana tarda entre 10 y 20 días en formarse. Durante la filtración, el agua pasa por esta capa y la arena, atrapando materia orgánica, bacterias, virus y quistes como Giardia y Cryptosporidium.

Para limpiar los filtros de arena lentos, se realiza un proceso llamado raspado, que consiste en quitar mecánicamente la capa superior de arena sucia. La turbidez (qué tan turbia está el agua) del agua a tratar para estos filtros no debe ser muy alta. Los filtros de arena lentos son una buena opción para lugares con poco presupuesto, ya que no usan químicos y necesitan poca ayuda mecánica. Sin embargo, debido al crecimiento de la población, a veces se reemplazan por filtros rápidos porque los lentos necesitan más tiempo para funcionar.

Comparación de filtros de arena rápidos y lentos

Diseño de un filtro de lecho ascendente

El filtro de arena de flujo ascendente es un tipo más reciente. La principal diferencia es que el agua a filtrar entra por la parte de abajo y el agua limpia sale por la parte de arriba. Este flujo inverso permite que el proceso de limpieza (retrolavado) se integre con la filtración, lo que reduce la cantidad de agua necesaria para la limpieza y el tiempo que toma.

Filtros de lecho mixto

Los filtros que tienen varias capas de diferentes materiales se llaman filtros de lecho mixto o filtros multimedia. La arena es un material común, pero también se usan otros como la antracita, el carbón activado granular (CAG), el granate y la ilmenita. Estos materiales se eligen por sus propiedades. Por ejemplo, el CAG puede filtrar y también absorber sustancias al mismo tiempo.

Las capas de estos filtros siempre se organizan por densidad: los materiales más pesados se asientan en el fondo y los más ligeros en la parte superior. Las diferentes combinaciones de materiales afectan cómo se filtra el agua y la presión necesaria. Una combinación común es antracita arriba, arena en el medio y granate abajo, con una capa de grava de soporte en el fondo.

La profundidad de estos filtros suele ser de entre 0.6 y 1 metro. Cuando la presión aumenta demasiado, se necesita un retrolavado para limpiar el filtro. El retrolavado invierte el flujo de agua para levantar los materiales filtrantes y eliminar las partículas atrapadas.

Usos de los filtros de arena en el tratamiento del agua

Todos estos tipos de filtros se usan mucho en la industria del agua en todo el mundo. Los filtros rápidos y de flujo ascendente suelen necesitar químicos para funcionar bien, mientras que los filtros de arena lentos producen agua de muy buena calidad sin químicos.

Cuando el agua floculada (con partículas agrupadas) pasa por un filtro de arena rápido, el filtro atrapa esos grupos de partículas, lo que reduce la cantidad de bacterias y elimina la mayoría de los sólidos. Si el agua tiene problemas de sabor u olor, el filtro de arena puede incluir una capa de carbón activado para eliminarlos.

Con el tiempo, los filtros de arena se tapan con las partículas atrapadas. Los filtros de arena lentos se limpian raspando la capa superior, mientras que los filtros de arena rápidos se limpian con retrolavado. El agua sucia del retrolavado se lleva a tanques especiales para que los sólidos se asienten y se puedan desechar. El agua limpia de esos tanques puede volver al proceso de tratamiento.

Los filtros de arena también se usan a veces en el tratamiento de aguas residuales como una etapa final para pulir el agua. En estos filtros, la arena atrapa los materiales restantes y las bacterias, y también ayuda a que las bacterias descompongan sustancias como el amoníaco y los nitratos en gas nitrógeno.

Los filtros de arena son muy útiles porque combinan varias funciones de purificación en un solo proceso, especialmente los filtros de arena lentos.

Ventajas y limitaciones de los filtros de arena

Una gran ventaja de los filtros de arena es que sirven para muchas aplicaciones diferentes. Además, los distintos tipos (rápido, lento, flujo ascendente) ofrecen flexibilidad para adaptarse a las necesidades. Son muy buenos para eliminar el color y los microorganismos del agua. Al ser bastante sencillos, sus costos de funcionamiento son bajos y su simplicidad facilita la automatización, lo que significa que necesitan menos intervención humana.

Las principales limitaciones de esta tecnología están relacionadas con la obstrucción del filtro. Cuando se tapan, necesitan mucha agua para el retrolavado y, a veces, el uso de químicos en el pretratamiento. Además, los filtros de arena lentos suelen necesitar más espacio, especialmente si el agua sin tratar está muy sucia. A pesar de estas limitaciones, ofrecen muchas ventajas y por eso se usan ampliamente en la industria.

Desafíos en el uso de filtros de arena

Al tratar el agua, hay factores que pueden causar problemas si no se manejan bien. Procesos como la maduración del filtro y el retrolavado no solo afectan la calidad del agua, sino también el tiempo total del tratamiento. El retrolavado también reduce la cantidad de agua limpia disponible. Si se necesita suministrar una cantidad específica de agua a una comunidad, hay que considerar esta pérdida. Además, los residuos del retrolavado deben ser tratados o desechados correctamente.

Desde el punto de vista químico, los cambios en la calidad del agua sin tratar y las variaciones de temperatura pueden afectar la eficiencia del proceso de tratamiento desde el principio.

Los modelos que se usan para construir filtros de arena tienen cierta incertidumbre. Esto se debe a que se hacen suposiciones matemáticas, como que todos los granos de arena son esféricos. La forma de los granos afecta cómo se interpretan sus tamaños y cómo se empaquetan en el filtro, lo que a su vez influye en la porosidad y el flujo del agua.

Véase también

En inglés: Sand filter Facts for Kids

• Tratamiento de aguas
• Purificación del agua