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 los patógenos y los sólidos en suspensión 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 efectividad, facilidad de uso y falta de costos recurrentes, los filtros de bioarena a menudo se consideran tecnología apropiadapaíses en desarrollo. Se estima que se utilizan más de 200.000 BSF en todo el mundo. [1]
Historia
El filtro de bioarena doméstico fue propuesto por el Dr. David Manz a fines de la década de 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 realizaron 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 capacitación en purificación de agua y saneamiento, incluido el uso de esta tecnología, y para continuar desarrollándola. [3] Una empresa privada, Hydraid Biosand Water Filter produce y distribuye planos para filtros. [5]
Componentes del filtro de bioarena
Los filtros de bioarena se construyen típicamente de hormigón o plástico. [5] 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 esto, la placa difusora evita la alteración de la biopelícula cuando se vierte agua en el filtro. Luego, el agua viaja a través de la columna de arena, que elimina los patógenos y los sólidos en suspensión. 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 está la capa de drenaje que consta de grava más gruesa que evita la obstrucción cerca de la base del tubo de salida. [3]
Proceso de filtración
Los patógenos y los sólidos en suspensión se eliminan mediante procesos biológicos y físicos que tienen lugar en la capa biológica y la capa de arena. Estos procesos incluyen:
- Atrapamiento mecánico: Los sólidos en suspensión y los patógenos quedan atrapados en los espacios entre los granos de arena. [1]
- Depredación: los microorganismos de la biocapa consumen patógenos. [1]
- Adsorción: Los patógenos se adsorben entre sí y en los sólidos suspendidos en el agua y los granos de arena. [1]
- Muerte natural: los patógenos terminan su ciclo de vida o mueren porque no hay suficiente comida u oxígeno. [1]
Durante la carrera
El alto nivel de agua (cabezal hidráulico) en la zona del depósito de entrada empuja el agua a través del difusor y el filtro, luego disminuye a medida que el agua fluye uniformemente a través de la arena. El caudal se ralentiza porque hay menos presión para forzar el paso del agua a través del filtro. El agua de entrada contiene oxígeno disuelto, nutrientes y contaminantes. Aporta el oxígeno requerido por los microorganismos del biofilm. 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]
Período de pausa (tiempo de inactividad)
El tiempo de inactividad comprende típicamente más del 80% del ciclo diario; durante este tiempo, es probable que los procesos de atenuación microbiana sean importantes. La mayor parte de la eliminación se produce cuando 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, esto debería ser lo suficientemente alto 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 de la biocapa consuman los patógenos y los nutrientes del agua. La tasa de flujo a través del filtro se restaura 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 utilizar. El período de pausa debe oscilar entre 1 y 48 horas. [1] Los patógenos en la zona no biológica mueren por falta de nutrientes y oxígeno. [1]
Mantenimiento
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. Ambas ocurrencias causan una disminución en la tasa de flujo (obstrucción y bioabsorción ). Aunque los caudales más lentos generalmente mejoran la filtración de agua debido al tiempo de inactividad [APS1], puede volverse demasiado lento para la conveniencia de los usuarios. Si los caudales descienden por debajo de 0,1 litros / minuto, CAWST recomienda realizar el mantenimiento. [2] El "remolino y descarga", o técnica de limpieza rastrilladora húmeda, se utiliza para restablecer el caudal. Se vierte aproximadamente 1 galón estadounidense (3,8 l) en el filtro antes de limpiarlo (asumiendo que el filtro está vacío). Luego, la capa superior de arena se arremolina 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 exteriores de los filtros con regularidad. [2] La sostenibilidad y eficacia a largo plazo de los filtros de bioarena depende de la educación y el apoyo de personal de apoyo capacitado. [6]
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 beneficiarios al cabo de uno, tres y doce meses y otra a los 5 años desde la fecha de instalación. Durante cada visita, los beneficiarios reciben instrucciones repetidas sobre las prácticas de agua potable y cómo cuidar el filtro. Según los datos recopilados desde 2010, entre el 94% y el 99% de los filtros todavía se utilizan con regularidad 12 meses después de la instalación. [7]
Eliminación de contaminantes
Turbiedad
Los resultados de las reducciones de turbidez varían según la turbidez del agua afluente. El agua turbia contiene arena, limo y arcilla. [2] La turbidez del alimento en un estudio varió de 1,86 a 3,9 NTU. En un estudio, se obtuvo agua de tomas 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. [8] A medida que madura la biopelícula sobre la arena, aumenta la eliminación de la 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]
Metales pesados
Existe una investigación limitada sobre la eliminación de metales pesados mediante filtros de bioarena. En un estudio realizado en Sudáfrica, el filtro eliminó aproximadamente el 64% de hierro y el 5% de magnesio. [8]
Bacterias
En estudios de laboratorio, se ha descubierto que el filtro de bioarena elimina entre el 98% y el 99% de las bacterias. [8] En la eliminación de Escherichia coli se encontró que el filtro de bioarena puede aumentar debido a la formación de biopelículas durante aproximadamente dos meses. La eliminación después de este tiempo osciló entre el 97% y el 99,99%, dependiendo del volumen de agua diario y del porcentaje de efluente primario añadido. La adición de efluentes primarios o aguas residuales facilita el crecimiento de la biopelícula que ayuda a la muerte bacteriana. [1] La investigación muestra que los filtros de bioarena 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 alrededor del 93 por ciento. [9]
Virus
Las pruebas de laboratorio han demostrado que, si bien los filtros reducen cantidades significativas de E. coli, eliminan significativamente menos virus porque los virus son más pequeños. En un estudio que utilizó 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. [10]
Protozoos
En una prueba de laboratorio, el filtro de bioarena eliminó más del 99,9% de los protozoos . En las pruebas para un tipo de protozoos, Giardia lamblia , el filtro se eliminó al 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 lento. [11]
Beneficios de la salud
Los estudios en la República Dominicana y Camboya realizados por la Universidad de Carolina del Norte y la Universidad de Nevada muestran que el uso de BSF redujo la aparición de enfermedades diarreicas en un 47% en todos los grupos de edad. [12] En un estudio realizado por CAWST en Haití, el 95% de 187 hogares creían que la calidad del agua había mejorado desde que usaron 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. [9]
Tipos de filtros de bioarena
Hormigón
Los filtros de hormigón son el tipo de filtro de bioarena más extendido. Generalmente, el hormigón es preferible a otros materiales debido a su bajo costo, su amplia disponibilidad y la posibilidad de ser construido en el sitio. Los planos para el filtro de hormigón son distribuidos abiertamente por CAWST. 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 pasa los estándares de calidad del agua de la EPA, no es óptima. [13] 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 garantizar que el agua estancada esté en contacto constante con el material granular. [13]
Los filtros de bioarena para hormigón se fabrican normalmente con moldes de acero. Los planos para un molde de acero son distribuidos abiertamente por CAWST.
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. [14]
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 planes para un molde de madera están disponibles abiertamente en el sitio web de OHorizons. [15]
El plastico
Los filtros de plástico se construyen a partir de barriles de plástico, generalmente formados fuera del sitio. Los filtros de bioarena Hydraid están fabricados con plástico de grado médico con resistencia a los rayos ultravioleta . [5] TivaWater es la versión más reciente del filtro de bioarena de plástico y tiene varias mejoras importantes. [dieciséis]
Acero inoxidable
Se ha descubierto que un filtro de bioarena de acero inoxidable desarrollado por ingenieros de SM Sehgal Foundation , una ONG con sede en Gurugram (antes Gurgaon), India, funciona mejor que sus homólogos de hormigón y ofrece una mayor oportunidad de aplicación y adopción en diferentes condiciones geográficas. El alto costo 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 la producción. Los filtros de hormigón son propensos a romperse y pueden ser difíciles de transportar debido a su peso (65 kg), lo que los hace inadecuados especialmente en lugares remotos rurales o montañosos. Los problemas de calidad comunes son variaciones en el material de construcción y fallas 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 liviano (4,5 kg) recientemente desarrollado tiene una ventaja sobre los filtros de concreto, superando cada una de esas deficiencias y brindando un mejor control de calidad. Además de mejorar su apariencia, el acero inoxidable aumenta la resistencia, confiabilidad, durabilidad y 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 láminas 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 [17] promueve el modelo, que no requiere electricidad, en toda la India a través de asociaciones con organizaciones de ideas afines para beneficiar a tantas familias rurales como sea posible. [18] [19]
Existen desafíos para la creación de filtros de agua de bioarena en los países en desarrollo. Muchos carecen de la capacidad profesional de construir las formas metálicas para verter el hormigón. También puede faltar encontrar tamaños de malla adecuados para tamizar las capas de arena. En Nicaragua puede encontrar trabajadores del metal capaces de soldar barras 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 Estados Unidos. Lo más probable es que se compre con la carga de recogida en 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, sería mejor llevar consigo las pantallas de malla adecuadas.
Otro problema al que se enfrenta el uso de filtros es la adopción. Muchos proyectos pueden brindar asistencia en la construcción de filtros de agua y algunos incluso pueden distribuirlos, pero lograr que los ciudadanos del país anfitrión usen los filtros requiere mucha más dedicación. Las personas deben estar conectadas con los propietarios de los filtros de agua para insistir en que usen los dispositivos y adquirir el hábito de usarlos. De lo contrario, varios de los filtros se abandonan y se dejan desatendidos en las carreteras. Simplemente entregar los filtros no es suficiente para su adopción.
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Elliott, M., Stauber, C., Koksal, F., DiGiano, F. y M. Sobsey (2008). Reducción de E. coli, echovirus tipo 12 y bacteriófagos en un filtro de arena lento a escala doméstica de 2 operados intermitentemente Water Research, Volumen 42, Temas 10-11
- ^ a b c d e "Manual de filtro de bioarena CAWST 2008" (PDF) .
- ^ a b c d "Filtro de bioarena CAWST" .
- ^ a b "Historia de CAWST" .
- ^ a b c "Tecnología de bioarena Hydraid" .
- ^ Sisson, Andrew J; Wampler, PJ; Rediske RR; Molla AR (enero de 2013). "Una evaluación del uso de filtros de bioarena a largo plazo y la sostenibilidad en el valle de Artibonite cerca de Deschapelles, Haití" . Revista de Agua, Saneamiento e Higiene para el Desarrollo . 3 (1): 51–60. doi : 10.2166 / washdev.2013.092 . Archivado desde el original el 1 de diciembre de 2014 . Consultado el 20 de febrero de 2013 .
- ^ cleanwaterforhaiti.org
- ^ a b c Mwabi, JK, FE Adeyemo y TO Mamba. "Sistemas domésticos de tratamiento de agua: una solución para la producción de bebidas seguras". SAO / NASA ADS: Página de inicio de ADS. Web. 22 de diciembre de 2011. http://adsabs.harvard.edu/abs/2011PCE....36.1120M
- ^ a b Sobsey, Mark; Christine Stauber; Lisa Casanova; Joseph Brown; Mark Elliott (2008). "Filtración de agua potable en el hogar en el punto de uso: una solución práctica y eficaz para proporcionar acceso sostenido a agua potable segura en el mundo en desarrollo". Ciencia y Tecnología Ambiental . 43 (3): 970–971. doi : 10.1021 / es8026133 .
- ^ Bradley, I., Straub, A., Maraccini, P., Markazi, Nguyen, T., (2011). Filtros de bioarena modificados con óxido de hierro para la eliminación de virus. Investigación del agua
- ^ "Filtro de bioarena" .
- ^ Stauber, Christine; Gloria M. Ortiz; Dana P. Loomis; Mark D. Sobsey (2009). "Un ensayo controlado aleatorio del filtro de bioarena de hormigón y su impacto en la enfermedad diarreica en Bonai, República Dominicana" . The American Journal of Tropical Medicine and Hygiene . 80 (2): 286-293. doi : 10.4269 / ajtmh.2009.80.286 . PMID 19190228 .
- ^ a b "Manual del filtro de bioarena CAWST 2010" . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ http://cleanwaterforhaiti.org/programs/how-does-the-filter-work/
- ^ "Manual de construcción de moldes de madera de OHorizons y apéndice" . Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2017 . Consultado el 20 de julio de 2015 .
- ^ tivawater.com
- ^ http://www.smsfoundation.org/
- ^ http://www.smsfoundation.org/wp-content/uploads/2016/02/Reinventing-the-biosand-filter.pdf
- ^ Bhaduri, Amita. "JalKalp: Agua de arenas impurezas" . “India Water Portal” 13 de noviembre de 2017.
enlaces externos
- Base de conocimientos sobre filtros de bioarena que contiene la información técnica y de implementación más reciente, investigación e información sobre proyectos
- Filtro de bioarena CAWST que contiene recursos de formación y educación
- Manz Water Info que contiene una serie de recursos detallados relacionados con la construcción y operación
- Filtro de bioarena
- Filtro de bioarena para moldes de madera OHorizons que contiene recursos técnicos sobre la construcción de moldes de madera para usar en la producción de filtros de bioarena para hormigón
- Agua limpia para Haití que contiene información y recursos sobre la fabricación del filtro de bioarena