1.    INTRODUCCION

El crecimiento de la población en los últimos años, ha permitido el desarrollo de tecnología en materia de saneamiento ambiental, debido a que mayor población mayor es la cantidad de desechos que esto genera y que nos conlleva a una problemática ambiental que tenemos que solucionar con propuestas ingenieriles.

Así, el país necesita de profesionales que tengan los conocimientos básicos y los criterios esenciales, no sólo para seleccionar y diseñar las mejores opciones de tratamiento para aquellas industrias y poblaciones que todavía lanzan sus desechos líquidos a los cauces naturales que, casi siempre, son utilizados aguas abajo, como fuente de abastecimiento, con grave amenaza para la salud pública, sino también para optimizar y garantizar una adecuada operación de la infraestructura existente en las depuradoras (Lazaro-Rivas, 2012).

Este trabajo se enfocará en dar a conocer de forma conceptual, práctica y didáctica a cerca de los diseños y parámetros para el filtro percolador como una alternativa de solución para la problemática anteriormente expuesta.

El filtro percolador es un reactor biológico cuya finalidad es degradar la materia orgánica de una forma aerobia, por medio de un crecimiento biológico que se mantiene en suspensión. El reactor aerobio puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. Estos residuos se pueden tratar de forma independiente o junta, mediante lo que se da en llamar codigestión.

2.    OBJETIVO

2.1   Objetivo General

·         Describir los criterios fundamentales que permitan el dimensionamiento de las unidades usadas en el filtro percolador para la depuración de aguas residuales en el ámbito urbano, rural e industrial.

2.2   Objetivos Específicos

·         Conocer los parámetros de diseño para dimensionar las principales unidades de un filtro percolador.

·         Explicar el funcionamiento y los procesos que se realizan dentro del filtro percolador

·         Dimensionar un filtro percolador

·         Contrastar las ventajas y desventajas de esta unidad para que sea el criterio del ingeniero escoger el diseño de esta unidad.

3.    DEFINICIÓN

Según LOZANO-RIVAS en el 2012 los filtro percoladores son:

También llamados biofiltros, es quizá el tipo de reactor más usado en nuestro medio. A pesar de su nombre (filtro percolador) esta unidad no realiza un proceso de filtración propiamente dicho, sino que se trata de una torre de contacto en la que el agua residual escurre, desde arriba, por un lecho fijo en el que la biomasa se encuentra adherida.

Este lecho fijo se compone de piedras o, más recientemente, de piezas plásticas u otro material, sobre las cuales se realiza una aspersión de las aguas residuales, mediante un brazo rotatorio con orificios o boquillas, el cual es movido por un motor o por la misma acción dinámica del agua al golpear con la superficie del lecho. Con el tiempo, se forma una biopelícula (biofilm), llamada también zooglea, sobre este material de soporte; esta biopelícula o lama biológica de microorganismos se encargará de tomar como alimento (adherir y descomponer), la materia orgánica biodegradable presente en las aguas del afluente.

Ilustración 1. Partes de un filtro percolador.

Imagen tomada de: http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamientos/blandos/diseno6.gif

Un filtro percolador consiste en un tanque que contiene un lecho de material grueso, compuesto en la gran mayoría de los casos de materiales sintéticos ó piedras de diversas formas, de alta relación área/volumen, sobre el cual son aplicadas las aguas residuales por medio de brazos distribuidores fijos o móviles. Alrededor de este lecho se encuentra adherida una población bacterial que descompone las aguas residuales a medida que éstas percolan hacia el fondo del tanque. Después de cierto tiempo, la capa bacterial adquiere un gran espesor y se desprende hidráulicamente del lecho de piedras para pasar luego a un clarificador secundario en donde se efectúa la separación de los lodos formados.

Ilustración 2. Filtro percolador.

Imagen tomada de:

 http://alianzaporelagua.org/Compendio/tecnologias/t/t8.htmll

4.    Clasificación de los filtros según su carga

4.1  Filtros de baja carga

Filtros lentos en los cuales el agua hace un solo pasó a través del filtro, con cargas volumétricas bajas, permitiendo además una nitrificación relativamente completa. Este tipo de filtro es seguro y simple de operar. Producen una composición del efluente bastante estable, pero crean problemas de olores y moscas.

Se diseñan para carga hidráulica de 1.1 a 4.3 m3/m2*día y orgánica desde 0,08 hasta 0,4 kg DBO5/m3*día.

4.2 Media carga

Normalmente, se dimensionan para tratar cargas orgánicas de 0,24 a 0,48         kg DBO₅/m^3*día e hidráulicas de 4 a 10 m³/m²*día, incluyendo la   recirculación.

4.3 Filtros de alta carga

Emplean la recirculación para crear una carga hidráulica más homogénea, diluyendo por otra parte la DBO5 influente. El porcentaje de recirculación puede llegar a 400%. Este sistema de filtración tiene una eficiencia tan buena como la de los filtros de baja tasa, y evita en gran medida el problema de moscas y de olores. Los lechos de alta carga se diseñan para cargas orgánicas de 0,4-4,8 kg DBO5/m3*día e hidráulicas de 10 a 36 m3/m2*día, incluyendo la recirculación.

5.    PARAMETROS DE DISEÑO

ELEMENTO	CARGA BAJA	CARGA ALTA	CARGA ALTA
Medio filtrante	Piedra	Piedra	Plástico
Tamaño (cm)	2,5 a 13	2,5 a 13	Varía
Superficie específica (m2 / m3)	60 a 70	60 a 70	80 a 200
Constante “n” del material	1,5 a 3,5	1,5 a 3,5	0,4 a 0,6 (según fabricante)
Constante de tratabilidad “K”		Agua residual doméstica sedimentada = 2,21 (m*d)-0,5 Agua residual industrial = 0,25 a 2,51 (m*d)-0,5
Espacio vacío (%)	40 a 60	40 a 60	94 a 97
Peso específico (kg/m3)	800 a 1450	800 a 1450	30 a 100
Carga hidráulica (m3/m2*h)	0,05 a 0,15	0,4 a 1,6	0,4 a 3,0
Carga orgánica (kg DBO5/m3*d)	0,1 a 0,4	0,5 a 0,6	0,3 a 1,8
Carga orgánica para nitrificación (kg DBO5/m3*d)	0,1 a 0,16	0,1 a 0,25	0,16 – 0,4
Profundidad (m)	2,0 a 2,5	2,0 a 2,5	3 a 10
Relación de recirculación	0	0,5 a 2,0	0,5 a 4,0
Arrastre de sólidos	Intermitente	Continuo	Continuo
Eficiencia de remoción de DBO5 (%)	80 a 85	50 a 70	50 a 85
Moscas en el filtro	Muchas	Pocas	Muy pocas

Tabla 1. Criterios de diseño para filtros percoladores, según tipo de operación y medio de contacto

Imagen tomada de:

(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas (Lazaro-Rivas, 2012).

Según el Ras 2000

Geometría El reactor o filtro consta de un recipiente cilíndrico o rectangular con diámetros variables, hasta de 60 m y con profundidades entre 1.50 y 12 m.

Medios de soporte El medio filtrante puede ser piedra triturada o un medio plástico manufacturado especialmente para tal fin. El medio debe ser durable, resistente al resquebrajamiento, insoluble, y no debe aportar sustancias indeseables al agua tratada.

Medio	Tamaño nominal cm	Unidades por metro cúbico	Densidad kg/m3	Área Superficial especifica m2/m3	Porcentaje de vacíos %
Plástico Convencional Alta Área	61*61*122 60*60*120 60*60*120	71-106 -- --	32-96 30-100 30-100	85-115 80-100 100-200	94-97 94-97 94-97
Pino Californiano	120*120*90 120*120*90	-- --	165 150-175	46 40-50	76 70-80
Granito	2.5-7.5 10	-- --	1.442 --	62 43	46 60
Escoria Alto Horno Pequeña Grande	5-7.5 5-8 7.5-12.5	1.766-2.119 -- --	1.089 900-1200 800-1200	66 55-70 45-60	49 40-50 50-60
Piedra de rio Pequeña Grande	5.2-6.5 10-12	-- --	1250-1450 800-1000	55-70 40-50	40-50 50-60

Tabla 2. Propiedades físicas de medios para filtro percoladores

Imagen tomada de:

(Romero Rojas Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principio de diseños, 2000).

Características físicas y geométricas Rocas y medios similares. La escoria de roca o cualquier medio filtrante no debe contener más de un 5% por peso de materia cuya dimensión mayor sea tres veces su dimensión menor. No contendrá material delgado alargado y achatado, polvo, barro, arena o material fino. Deben estar conforme a los tamaños y granulometría presentados en la tabla 2 cuando se clasifiquen mecánicamente a través de tamices vibratorios con aberturas cuadradas.

Tamiz	Porcentaje por peso
Pasando tamiz de 11.4cm (4 ½”)	100% por peso
Retenido en tamiz de 7.62 cm (3”)	95 – 100% por peso
Pasando por tamiz de 5.08cm (2”)	0 - 2% por peso
Pasando por tamiz de 2.54 cm (1”)	0 - 1% por peso

Tabla 3. Granulometrías de los medios de roca o similares (RAS, 2000).

Piedra colocada a mano. Las dimensiones máxima de la piedra serán 12.7 cm (5”) y las dimensiones mínimas de piedra, 7.62 cm (3”). Medio plástico manufacturado: La suficiencia de este medio se evalúa con base en la experiencia previa con instalaciones que traten aguas y cargas similares.

Tipo de medio	Tamaño nominal, mm·mm	Densidad, kg/m³	Area superficial relativa, m²/m³	Relación de vacíos, %
Empaquetado (Bundle)	610·610·1220 610·610·1220	32.04 - 80.10 64.08 - 96.12	88.59  - 104.99 137.80 - 147.65	>95 >94
Roca	25.4 - 76.2	1441.8	62.3	50
Roca	50.8 - 101.6	1602	46	60
Desordenado (plástico)	Varios Varios	32.04-64.08 48.06-80.10	82-115 138-164	>95 >94
Madera	1219.2·1219.2·47.6	165	46

Tabla 4. Comparación de propiedades físicas de medios de filtros percoladores. (RAS 2000).

Profundidad del filtro El medio filtrante, en el caso de la piedra debe tener una profundidad mínima de 90 cm y máxima de 180 cm sobre los desagües, excepto cuando los estudios justifiquen una construcción especial. En el caso del medio plástico, la profundidad debe determinarse por medio de estudios pilotos o experiencias previas debidamente sustentadas ante la autoridad competente.

Debe proveerse un espacio libre mínimo de 15 cm entre los brazos distribuidores y el medio filtrante.

Tasa de carga orgánica volumétrica Los filtros percoladores operan con cargas volumétricas entre 0.1 y 8.0 kg DBO5/m³/día.

Tasa de carga hidráulica

Los valores de tasa de carga hidráulica que se deben usar para cada tipo de filtro se encuentran en la tabla 5

	Tasa baja	Tasa intermedia	Tasa alta	Super alta tasa	Rugoso	Dos etapas
Medio filtrante	Roca, escoria	Roca, escoria	Roca	Plástico	Plástico, madera roja	Roca, plástico
Carga hidráulica, m³/(m²·d)	0.9 - 3.7	3.7 - 9.4	9.4 - 37.4	14.0 - 84.2	46.8 - 187.1 (no incluye recirculación)	9.4 - 37.4 (no incluye recirculación )
Carga orgánica,  kgDBO5/(m³·d)	0.1 - 0.4	0.2 - 0.5	0.5 - 1.0	0.5 - 1.6	1.6 - 8.0	1.0 - 1.9
Profundidad, m	1.8 - 2.4	1.8 - 2.4	0.9 - 1.8	3.0 - 12.2	4.6 - 12.2	1.8 - 2.4
Tasa de recirculación	0	0 – 1	1 - 2	1 - 2	1 - 4	0.5 -2
Eficiencia de remoción de DBO5, %	80 - 90	50 – 70	65 - 85	65 - 80	40 - 65	85 - 95
Efluente	Bien nitrificado	Parcialmente nitrificado	Poca nitrificación	Poca nitrificación	No nitrificación	Bien nitrificado
Desprendimiento	Intermitente	Intermitente	Continuo	Continuo	Continuo	Continuo

Tabla 5. Características de diseño para los diferentes tipos de filtros percoladores (RAS 2000).

Bombas de recirculación La recirculación de cada bomba no debe ser menor que la mitad del caudal usado para el diseño de la planta. Deben proveerse dos bombas de recirculación en cada pozo las cuales operarán alternadamente. En total deben ser cuatro bombas. Debe proveerse a las bombas de recirculación con vertederos ajustables mecánicos, u otro mecanismo similar, para poder variar el factor de recirculación cuando sea necesario. Debe instalarse una tubería de ¾ pulgadas de diámetro (1.9 cm) con orificio de 1/8 de pulgada (0.3cm) alrededor de la cámara de las bombas para romper la espuma. Esta debe ser conectada a la descarga de la circulación de las aguas tratadas. La cámara de succión de las bombas de recirculación debe construirse de manera que el piso tenga forma de tolva, con inclinación de 45 hacia la succión de las bombas, para evitar puntos muertos en las orillas y esquinas.

Relación de recirculación Los rangos de recirculación son de 0.5 a 4.0.

Ventilación

Es de gran importancia, para mantener el filtro en condiciones aerobias.

El sistema de desagüe, canal efluente y tubería de efluentes deben ser diseñados para permitir el libre paso del aire. El tamaño de desagües, canales y tuberías debe ser tal que no más del 50 % de su área de sección esté sumergida durante la carga hidráulica de diseño. Al diseñar los canales efluentes, deben tomarse en consideración la posibilidad de un aumento en la carga hidráulica.

Áreas recomendadas El flujo de aire debe ser de 0.3m³/m² de área filtrante a 0.03 m³/m² como mínimo.

6.    CARACTERISTICAS

ü  Los filtros percoladores por lo general miden entre 1 a 12 metros de profundidad, están rellenos de materiales como rocas, módulos de plástico o piezas de plástico.

ü  Para el correcto funcionamiento del filtro percolador es necesaria una etapa de pretratamiento en donde se eliminarán sólidos grandes, arenas y grasa, una etapa de sedimentación para eliminar sólidos más pequeños y evitar acumulaciones futuras dentro del filtro percolador y finalmente un sedimentador. (Toro, 2018)

ü  El filtro percolador debe de estar compuesto por: Un tanque séptico que elimina los sólidos que se asientan y flotan de las aguas negras; un tanque de dosificación o clarificador: es un tanque de hormigón o fibra de vidrio que permite que los materiales biológicos se sedimenten del agua. (Enciso, 2001) 

ü  El sistema de filtro percolador plástico se utiliza para tratar aguas negras pre-tratadas con la finalidad de eliminar los microorganismos contaminantes del agua. (Gomez, 2013)

ü  El filtro está compuesto por:

· Un tanque séptico que sirve para asentar los sólidos presentes en el agua. (sotilled, 2012)

·   Un tanque dosificante, el cual permite que los materiales biológicos se sedimenten. El filtro percolador. (sotilled, 2012)

·  Un sistema de aplicaciones al suelo (que se encuentra debajo de la superficie del suelo) (campo de absorción). (sotilled, 2012)

  ü  Está diseñado para procesar entre 25 y 100 galones de aguas negras por pie cuadrado de la superficie del filtro por día (Tasa de carga Orgánica), la cual se mide en libras de la Demanda Biológica de Oxigeno. (Lesikar & Enciso, 2001)

  ü  Según su profundidad para la cama de medio del filtro percolador tienden a variar porque mientras más profundo es el medio de este filtro más será la DBO5 , es decir, que para un nivel comunitario seria de 3 a 8 pies de profundidad, mientras que para una casa es de 2 a 3 pies de profundidad. (sotilled, 2012)

  ü  Con respecto a la ubicación de la bomba, del filtro percolador, esta debe ser elevada para asegurar que el agua clara circule por este. (Gomez, 2013)

  ü  Para el mantenimiento y buen funcionamiento de este sistema de tratamiento es recomendable seguir las instrucciones indicadas por el fabricante o diseñador. (Gomez, 2013)

7.    FUNCIONAMIENTO

Los filtros percoladores son reactores biotecnológicos que basan su principio de funcionamiento en la remoción de los contaminantes biodegradables por una película de microorganismos que se desarrolla sobre la superficie del empaque. (Gomez, 2013)

Los filtros percoladores están rellenos de materiales como rocas, módulos de plástico o piezas de plástico, el agua residual se percola a través del relleno poniéndose en contacto con la capa de limo biológico, es decir que el agua residual se percola a través de las piezas de plástico o piedras poniéndose en contacto con los microorganismos quienes se encargan de degrada la materia orgánica.

Para el correcto funcionamiento del filtro percolador es necesaria una etapa de pretratamiento en donde se eliminarán sólidos grandes, arenas y grasa, una etapa de sedimentación para eliminar sólidos más pequeños y evitar acumulaciones futuras dentro del filtro percolador y finalmente un sedimentador para la eliminación de los lodos producidos en el reactor. En los sistemas de filtros de percolación también se requiere de una operación y de un mantenimiento adecuado. (Toro, 2018)

Ilustración 3. Esquema de las subcapas aerobia y anaerobia de un filtro percolador.

Imagen tomada de: http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/FILTROS_PERCOLADORES.pdf

7.1   Proceso que involucra

Ilustración 4. Diagrama para el proceso del biofiltro activado (Cortesía de Neptune).

Imagen tomada de:

http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/FILTROS_PERCOLADORES.pdf

7.2   Factores que afectan:

   ü  Tipo y profundidad del medio activo 

   ü  Carga hidráulica

   ü  Carga orgánica  

   ü  Ventilación

   ü  Disposición por etapas

   ü  Caudal de recirculación

   ü  Distribución del caudal

   ü  El proceso de tratamiento mediante filtros percoladores entra dentro de los procesos aeróbicos de tratamiento der cultivo fijo, los cuales se emplean, normalmente, para eliminar la materia orgánica que se encuentre en el agua residual. También se pueden utilizar para llevar a cabo procesos de nitrificación. (Ramalho, 2006)

 8.    DIAGRAMA DE FLUJO

Ilustración 5. Planta de filtros percoladores.

Imagen tomada de: (Romero Rojas Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principio de diseños, 2000).

9.    VENTAJAS

Según Toro en el 2018:

ü  Proceso biológico sencillo y confiable

ü  No se necesita energía para la aireación

ü  Eficaz para el tratamiento de altas concentraciones de sustancias orgánicas

ü  Apropiado para comunidades pequeñas y medianas

ü  Bajos requerimientos energéticos

ü  Muy baja producción de lodos

10.  DESVENTAJAS

Según Toro en el 2018:

ü  Puede ser necesario un tratamiento adicional para cumplir con las normas de descargas dependiendo el país.

ü  Posible acumulación de biomasa lo cual perjudica el rendimiento del sistema.

ü  Requiere constante atención del operador

ü  La flexibilidad y el control son limitados en comparación con otros procesos biológicos.

11.   DIAGRAMAS, FOTOS Y DIBUJOS DEL TIPO DE TRATAMIENTO.

Ilustración 6. Corte de un filtro percolador circular rotatorio.

Fuente: “Ingeniería de aguas residuales”, Metcalf & Eddy. Mc Graw Hill. 3ª Edición (1995).

Ilustración 7. Esquema de un filtro percolador con recirculación.

Imagen tomada de:

http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_07_IMG/7020601i.gif

Ilustración 8. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R., 2001).

Ilustración 9. Sistemas de filtración por percolación.

Imagen tomada de:

http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/FILTROS_PERCOLADORES.pdf

Ilustración 10. Sistema de percolación a través de un filtro único.

Imagen tomada de:

http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/FILTROS_PERCOLADORES.pdf

Ilustración 11. Filtración en dos etapas.

Imagen tomada de:

http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/FILTROS_PERCOLADORES.pdf

BIBLIOGRAFÍAS

Balda, R. (2001). Filtro Percolador. Bogotá D.C., Colombia: Presentación en PPT. Material de Clase. Universidad de la Salle.

Enciso, B. L. (2001). filtro percolador. https://aglifesciences.tamu.edu/baen/wp-content/uploads/sites/24/2017/01/L-5345S.-Trickling-Filter-Spanish-Version.pdf.

Gomez, A. (22 de Agosto de 2013). Sideshare. Obtenido de Sideshare: https://es.slideshare.net/arnoldofabianduran/filtros-percoladores-25493796

Lazaro-Rivas. (5 de Diciembre de 2012). ResearchGate. Obtenido de ResearchGate: https://www.researchgate.net/publication/298354134_Diseno_de_Plantas_de_Tratamiento_de_Aguas_Residuales

Lesikar, B., & Enciso, J. (20 de 10 de 2001). Texas A&M Agri Life Extension. Obtenido de Texas A&M Agri Life Extension: https://aglifesciences.tamu.edu/baen/wp-content/uploads/sites/24/2017/01/L-5345S.-Trickling-Filter-Spanish-Version.pdf

Metcalf & Eddy. Mc Graw Hill. 3ª Edición (1995). Ingeniería de aguas residuales.

MINISTERIO DE DESARROLLO ECONOMICO (2000). Reglamento Técnico del           Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS 2000).

Ramalho. (15 de Marzo de 2006). http://cidta.usal.es/. Obtenido de http://cidta.usal.es/: http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/FILTROS_PERCOLADORES.pdf

Romero Rojas (2000). Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principio de    diseños, 2000

sotilled, D. (8 de Marzo de 2012). blogspot. Obtenido de blogspot: http://filtrospc.blogspot.com/

Toro, J. A. (2018). ANALISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS AEROBIAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS . Manizales: http://repositorio.ucm.edu.co:8080/jspui/bitstream/handle/10839/2127/Juli%C3%A1n%20andr%C3%A9s%20Huartos.pdf?sequence=1&isAllowed=y.

.