vvEFA
United States
Environmental Protection
Agency
Office of Water
Washington, D.C.
EPA832-F-99-067
Septiembrede1999
Folleto informativo de
tecnologia de aguas residuales
Filtros intermitentes de arena
DESCRIPCION
Los filtros intermitentes de arena (FIA) tienen
un lecho de filtration de 24 pulgadas de
profundidad con un medio de tamafio
cuidadosamente seleccionado. La arena es el
medio mas comunmente usado, pero la
antracita, residues de mineria, ceniza de fondo
de incineradores, etcetera, tambien han sido
usados. La superficie del lecho se dosifica en
forma intermitente con efluente, el cual se
percola en un paso simple hasta el fondo del
filtro a traves de la arena. Despues de ser
recolectado en el desagiie inferior, el efluente
tratado es conducido a una tuberia para
tratamiento adicional o para su disposition. Los
dos componentes basicos del sistema de FIA
son una unidad (o unidades) de tratamiento
primario (un tanque septico u otro metodo de
sedimentation) y el filtro de arena. La Figura 1
muestra un esquema de un FIA tipico.
TELA DE
FILTRADO
TUBERiA
LATERAL DE PVC CON
PROTECTOR DE
ORIFICIOS
SISTEMA DE
ENFRIAMIENTO
PORAIRE
ROCA DE 0.5
A0.75PULG
ARENA DE FILTRADO
ROCA DE 0.5 A 0.75
PULG
GRAVA DE GRANO DE
0.375
DESAGUE DE PVC
RANURADO DE 4
PULGADAS
REVESTIMIEN-TO
DE PVC DE
30 MIL
AL CAMPO DE DRENAGE 0
CAJA DE BOMBEO
Fuente: Orenco Systems, Inc., 1998.
FIGURA 1 SECCION TRANSVERSAL DE
UN FILTRO INTERMITENTE
DE ARENA
Los FIA remueven contaminantes del agua
residual mediante procesos de tratamiento
fisicos, quimicos y biologicos. Si bien los
procesos fisicoquimicos juegan un papel
importante en la remocion de muchas particulas,
los procesos biologicos desempefian el papel
mas significative en los filtros de arena.
Los FIA generalmente se construyen debajo del
nivel del terreno, en excavaciones de 3 a 4 pies
de profundidad que estan recubiertas por una
membrana impermeable, en donde esto sea
requerido. El desagiie esta rodeado por una
capa de grava de tamafio seleccionado y roca
triturada cuyo extreme aguas arriba es ventilado
y sobresale a la superficie. Sobre la capa de
grava y roca se col oca grava de grano (de
tamafio de arveja), y encima de esta se deposita
la capa de arena. A continuation se coloca otra
capa de grava de tamafio seleccionado en donde
se encuentran las tuberias de distribution. Una
valvula de lavado se encuentra en el extreme de
cada tuberia lateral de distribution. Una tela de
filtro de baja densidad de coloca sobre la capa
final de roca, la cual evita que los limos se
entremezclen con la arena al mismo tiempo que
permite el paso del agua y el aire. La capa
superior del filtro se rellena finalmente con
arena gredosa que puede contener vegetation
herbacea. Para viviendas individuates
normalmente se disefian FIA enterrados.
-------
Algunos de los tipos mas comunes de esos
filtros se describen a continuation.
FIA de descarga por gravedad
Los filtros intermitentes de arena de descarga
por gravedad normalmente se usan en el costado
de colinas, para lo cual se ubica el eje
longitudinal en forma perpendicular a la
pendiente para reducir a un minimo la necesidad
de excavation. Debido a que el efluente pasa a
traves del filtro por gravedad, la elevation del
fondo del filtro debe ser varies pies mas alta que
la del campo de infiltration. Para obtener el
diferencial de elevation, el filtro de arena puede
ser parcialmente construido sobre el nivel del
terreno.
FIA de descarga por bombeo
Los filtros intermitentes de arena de descarga
por bombeo se emplazan normalmente en
terrenos pianos. Su ubicacion en relation con el
campo de infiltration no es critica debido a que
una bomba ubicada dentro del lecho del filtro
permite que el efluente sea bombeado a
cualquier elevation o localization. Las tuberias
de descarga no van a traves del revestimiento
del filtro de arena sino encima del mismo para
proteger su integridad.
FIA sin fondo
Los filtros intermitentes de arena sin fondo no
tienen el revestimiento impermeable, y no
descargan a un campo de infiltration sino
directamente al suelo debajo del medio de arena.
La Tabla 1 muestra los valores tipicos de disefio
para los FIA. Estos valores estan basados en
experiencias previas y practicas actuates, y no
son necesariamente los valores optimos para una
aplicacion dada.
TABLA 1 CRITERIOS TIPICOS DE
DISENO DE UN FIA
Elemento
Criterio de diseho
Pretratamiento
Medio de filtrado
Material
Tamano efectivo
Coeficiente de
uniformidad
Profundidad
Sistema de desague
Tipo
Pendiente
Tamano
Carga hidraulica
Carga contaminante
Distribution de la presion
Tamano de la tuberia
Tamano del orificio
Carga en el orificio
Espaciamiento de las
tuberias laterales
Espaciamiento de los
orificios
Minimo; tanque
septico o equivalente
Material granular
durable pre-lavado
0.25 a 0.75 mm
<4.0
18 a 36 pulgadas
Tuberia con ranuras o
perforaciones
OaO.1%
3 a 4 pulgadas
2 a 5 galones/pie2/dia
0.0005 a 0.002
libra/ pie2/dia
1 a 2 pulgadas
1/8 a 1/4 de pulgada
3 a 6 pies
1 a 4 pies
1 a 4 pies
-------
Dosificacion
Frecuencia
Volumen pororificio
Volumen del tanque
dosificador
12 a 48 veces pordia
0.15 a O.SOgalones/
orificio/dosis
0.5 a 1.5 del caudal
diario
Fuente: adaptado de U.S. EPA, 1980 y Crites
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Algunas de las ventajas y desventajas de los filtros
FIA son las siguientes:
Ventajas
• Los FIA producen un efluente de alta
calidad que puede ser usado para irrigation
por goteo, o puede ser descargado a aguas
superficiales despues de ser desinfectado.
• Los campos de drenaje pueden ser pequefios
y poco profundos.
• Los FIA tienen requisites moderados de
energia.
• Los FIA son facilmente accesibles para el
monitoreo y no requieren personal calificado
para su operation.
• No requieren compuestos quimicos.
• Si la arena no esta disponible, se puede
reemplazar con otros medios de filtrado
aceptables, los cuales pueden estar
disponibles localmente.
• Los costos de construction de los FIA son
moderadamente bajos, y el trabajo es casi
todo manual.
• La capacidad de tratamiento puede
aumentarse usando un disefio modular.
• Los FIA pueden ser instalados para que se
incorporen visualmente al paisaje.
-------
Desventajas
• Los requisites de area pueden ser una
limitation.
• Se requiere un mantenimiento rutinario (si
bien es minimo).
• Se pueden presentar problemas de olores
como resultado de las configuraciones de
filtro abiertas, y se pueden requerir zonas de
separation con areas habitadas.
• Si un medio adecuado de filtration no esta
disponible localmente, los costos pueden ser
altos.
• La obstruction del medio filtrante es
posible.
• La operation de los FIA puede ser sensible a
temperaturas extremadamente frias.
• Los FIA pueden requerir un permiso federal
de descarga de efluentes a aguas
superficiales (National Pollutant Discharge
Elimination System, NPDES).
DESEMPENO
Los filtros de arena producen un efluente de alta
calidad con concentraciones tipicas iguales o
menores a 5 mg/L de la demanda bioquimica de
oxigeno (DBO) y los solidos suspendidos, asi
como una nitrification igual o mayor al 80% del
amoniaco aplicado. La remocion del fosforo es
limitada, pero se pueden lograr reducciones
significativas de bacterias coliformes fecales.
El desempefio de un FIA depende del tipo y la
biodegradabilidad del agua residual, los factores
medioambientales dentro del filtro, y las
caracteristicas de disefio del filtro. Los factores
medioambientales mas importantes que
determinan la efectividad del tratamiento son la
reaireacion del medio y la temperatura. La
temperatura afecta directamente la tasa de
crecimiento microbiano, y otros factores que
contribuyen a la estabilizacion del agua residual
dentro del FIA. El desempefio del filtro es
normalmente mejor en areas en donde el clima
es calido en comparacion con las de clima frio.
A continuation se describen varios parametros
de disefio del proceso que afectan la operation y
el desempefio de los FIA.
Nivel de pretratamiento
Un tanque septico hermetico y de tamafio y
estructura adecuada, asegura el que se cuente
con un pretratamiento adecuado del agua
residual tipica de origen domestico.
Tamano del medio
La efectividad del material granular como
medio filtrante depende del tamafio, la
uniformidad y la composition de los granos. El
tamafio del medio granular se correlaciona con
el area superficial disponible para el desarrollo
de microorganismos que dan tratamiento al agua
residual. For esta razon, el tamafio del medio
afecta la calidad del efluente filtrado.
Profundidad del medio
La profundidad adecuada de la arena debe ser
mantenida para que la zona capilar no interfiera
con la zona superior requerida para el
tratamiento.
-------
Tasa de carga hidraulica
En general, entre mas alta sea la carga
hidraulica, la calidad del efluente para un medio
determinado tiende a desmejorarse. Las tasas
hidraulicas altas se usan generalmente en filtros
con un medio de mayor tamafio, o en sistemas
que reciben agua residual de mejor calidad.
Carga contaminante
La aplicacion de material organico al lecho del
filtro es un factor que afecta el desempefio de
los FIA. La carga hidraulica debe ajustarse para
acomodar las varias cargas contaminantes que
pueden esperarse en el agua residual a ser
aplicada. Como en el caso de la carga
hidraulica, el incremento en la tasa de carga
contaminante reduce la calidad del efluente.
pueden tener buen rendimiento durante largos
periodos.
Las tareas de O/M principales requieren un
tiempo minimo e incluyen el monitoreo del
afluente y el efluente, la inspection del equipo
de dosificacion, el mantenimiento de la
superficie del filtro, el chequeo de la carga de
paso en los orificios, y la limpieza anual de la
tuberia multiple de distribucion mediante el
paso de agua. Ademas, las bombas deben ser
instaladas con acoples de desconexion rapida
para su remocion facil. El tanque septico debe
ser revisado para determinar la acumulacion de
nata y lodos, y debe ser bombeado segun sea
necesario. En temperaturas extremadamente
frias se deben tomar precauciones para prevenir
la congelation del sistema de filtrado mediante
el uso de cobertores removibles. La Tabla 2
enumera las tareas de O/M de un sistema FIA.
Tecnicas de dosificacion y frecuencia
Es esencial que el sistema de dosificacion
proporcione una distribucion uniforme (en
tiempo y volumen) del agua residual a lo largo
del filtro. El sistema debe tambien permitir un
tiempo suficiente entre las dosis para permitir la
reaereacion del espacio de los poros. Una
dosificacion confiable se logra con el uso de
sistemas de distribucion de tuberia multiple con
dosificacion a presion.
OPERACION Y MANTENIMIENTO
Los requisites diarios de operation y mante-
nimiento (O/M) de sistemas de filtro de mayor
tamafio generalmente son minimos cuando los
FIA han sido dimensionados adecuadamente.
Los filtros de arena enterrados que son
utilizados para aplicaciones residenciales
TABLA 2 OPERACION Y
MANTENIMIENTO RECOMENDADOS
PARA UN SISTEMA FIA
Elemento
Requisites de O/M
Pretratamiento
Camara de
dosificacion
Bombas y
controles
Secuencia del
cronometro
Dispositivos
Medio de
filtracion
Barrido
Reemplazo
Depende del proceso;
remocion de solidos del
tanque septico o de otras
unidades de pretratamiento
Revisar cada tres meses
Revisar y ajustar cada tres
meses
Revisar cada tres meses
Segun sea necesario
Remocion de la arena
superficial cuando hay alta
incrustacion, y su reemplazo
para mantenerla profundidad
de diseno del medio
-------
Otros
Eliminar las hierbas segun
sea necesario
Monitoreo y calibration del
mecanismo de distribution
segun sea necesario
Prevention de la formation
de hielo
APLICABILIDAD
Una evaluation de los sistemas de FIA llevada
a cabo en 1985 por la Agenda de Protection
Ambiental de los Estados Unidos sefialo que los
filtros de arena son una alternativa
mecanicamente simple y de bajo costo. Mas
recientemente, los sistemas de filtros de arena
han dado servicio a urbanizaciones, lotes de
casas moviles, escuelas rurales, pequefias
comunidades y otras entidades que generan
caudales reducidos de agua residual. Los filtros
de arena son una adicion o alternativa viable a
los sistemas convencionales cuando las
condiciones del terreno no son favorables para
el tratamiento y disposition adecuados del agua
residual mediante los lechos o las zanjas de
percolation. Los filtros de arena pueden ser
usados en terrenos que tienen una cubierta de
suelo que sea delgada o de permeabilidad
inadecuada, el nivel freatico sea elevado, o la
disponibilidad de area sea limitada.
Placer County, California
En Placer County, California, debido a la
popularidad de las casas campestres ubicadas a
elevaciones entre 100 y 4,000 pies, durante los
ultimos 20 afios los terrenos han tenido que ser
desarrollados con sistemas de tratamiento en el
punto de generation de los residues. Placer
County se extiende a lo largo de la vertiente
occidental de las montafias de la Sierra Nevada,
desde Lake Tahoe hasta el piedemonte, y
dentro del Great Central Valley. Areas extensas
de la municipalidad tienen suelos de calidad
marginal, suelos de poca profundidad y nivel
freatico elevado. En 1990, se inicio un
programa para permitir el uso experimental de
sistemas FIA de tipo Oregon para evaluar su
desempefio y otros factores relacionados.
Los sistemas de FIA utilizados en este estudio
tenian los siguientes componentes: un tanque
septico conventional seguido por una caja
separada de bombas; una estructura de madera
prensada triplex, con un revestimiento de 30
mm de PVC, para el filtro y sus aditamentos;
arena tamizada y pre-lavada de 24 pulgadas de
profundidad; dos capas de grava, una de
recubrimiento en la cual se encontraba la tuberia
presurizada multiple para distribution al lecho
del filtro del efluente proveniente del tanque
septico, y otra capa de base; y una tuberia
multiple de desagiie para la recoleccion del agua
residual. Las dimensiones de los filtros (para
viviendas de tres o cuatro habitaciones) eran de
19 pies por 19 pies, con un valor de disefio de la
tasa de carga de 1.13 galones/pie2/dia. En la
Tabla 3, a continuation, se resumen los
resultados durante periodos de clima calido y
frio para 30 sistemas de FIA que daban servicio
a viviendas unifamiliares.
-------
TABLA 3 COMPARACION DE EFLUENTES DE 30 SISTEMAS DE TANQUES SEPTICOS Y DE
FIA PARA VIVIENDAS UNIFAMILIARES EN PLACER COUNTY
Caracteristica
del efluente
DBOs -carbonacea
SST
NOs-N
NHs-N
NTK
Nitrogeno total
Coliformes totales
Coliformes fecales
Efluente del
tanque septico
160.2(15)*
72.9(15)*
0.1 (15)*
47.8(15)*
61.8(15)*
61.8(15)*
6.82x105(13)*
1.14x105(13)*
Efluente del
sistema FIA
2.17(44)*
16.2(44)*
31.1 (44)*
4.6 (44)*
5.9 (44)*
37.4 (44)*
7.30x102(45)*
1.11 x 102 (43)*
Porcentaje
de cambio
98
78
99
90
90
40
99 (3 logs)
99 (3 logs)
* Numero de muestras.
La DBOs, los SST y el nitrogeno se expresan como un promedio aritmetico, en mg/L. Los valores de coliformes fecales y totales se
expresan como el promedio geometrico del NMP/100 mL
sistema fue instalado en octubre de 1995 y su
desempefio fue monitoreado por 15 meses.
El filtro de arena utilizado en este estudio
produjo, consistentemente, un efluente de alta
calidad con niveles reducidos de DBO, solidos
suspendidos y nitrogeno amoniacal (NH4-N).
La Tabla 4 enumera los varies parametros
evaluados. El medio aerobico en el filtro de
arena era evidente por la tasa de conversion de
NH4-N a nitratos (NCh-N), lo cual se logro sin
tener problemas de olores. Los valores de
coliformes fecales se redujeron en cuatro
ordenes de magnitud, en forma consistente. El
uso promedio de electricidad de este sistema fue
de 9.4 kW-hora por mes, y el costo de operar las
dos bombas del sistema fue menor de 70
centavos por mes. La alta calidad del efluente
producido por el filtro de arena tambien redujo
el tamafio requerido del area de absorcion.
Los resultados del estudio indicaron que los
sistemas FIA mejoraban notablemente la calidad
del efluente con relation a los tanques septicos.
Si bien los sistemas tuvieron un buen
desempefio, el nitrogeno y las bacterias no
fueron eliminados completamente; esto indica
que los filtros solo deben ser usados en donde
sean adecuados el tipo de suelo y la separation
del agua subterranea. Otras conclusiones del
estudio incluian las siguientes: que el involucrar
a las partes interesadas desde el comienzo era
critico para el exito del programa; que el
mantenimiento efectivo de los sistemas era
esencial; y que durante el periodo de
aprendizaje de los usuarios, se cometian errores
que afectan adversamente el desempefio del
sistema.
Boone County, Missouri
Un sistema de FIA de dosificacion presurizada
fue instalado en el terreno de una vivienda
-------
TABLA 4 CARACTERlSTICAS DEL
EFLUENTE DE UN FIA UBICADO EN
BOONE COUNTY, MISSOURI
Tanque Filtro de Porcentaje
septico arena de cambio
TABLA 5 ESTIMACION DE COSTOS
PARA VIVIENDAS UNIFAMILIARES
DBO (mg/L)
SST (mg/L)
NH4-N (mg/L)
N03-N (mg/L)
Coliformes
fecales
(#/100mL)
297
44
37
0.07
4.56E+05
3
3
0.48
27
7.28E+01
99.0
93.2
98.7
384.71
99.9
Fuente: Sievers; usado con permiso de la Sociedad
Americana de Ingenieros Agricolas, 1998.
COSTO
El costo de un sistema FIA depende del trabajo
laboral, los materiales, la ubicacion, la
capacidad del sistema y las caracteristicas del
agua residual. Los principales factores que
determinan el costo de construccion son el
terreno y el medio de filtration, los cuales son
muy especificos para cada localidad. La Tabla
5 es un ejemplo de una estimation de costo para
una vivienda unifamiliar.
Los costos de energia electrica estan asociados
principalmente con el bombeo del agua residual
al filtro. Los costos de electricidad tipicos son
de 3 a 6 centavos por dia. Como consecuencia,
el costo de la electricidad de los filtros de arena
es menor al de la mayoria de los procesos de
tratamiento de aguas residuales utilizados por
pequefias comunidades, con exception del uso
de lagunas.
Elemento
Costo
($)
Costos de inversion de capital
Costos de construccion para un 850
tanque de 1,500 galones de
camara unica (septica y de
bombeo), a 57 centavos/galon
Paquete completo de equipos de 3,200
FIA (incluye un panel simplex
doble, un paquete de bombas,
tuberias de elevacion, sellos, el
revestimiento, un juego de tuberias
laterales, protectores de orificios,
etcetera)
Costos de otros elementos 750
ademas de los de construccion
Ingenieria (incluye la evaluation 2,000
de suelos, emplazamiento,
presentation del diseno e
inspecciones de construccion)
Contingencias (incluyendo 1,000
permisos)
Terreno variable
Costo total de inversion 10,800
Costos anuales de O/M
Laboral a $65/hora (2 horas/ano) 130 / ano
Electricidad a 10 centavos/ kW-hr variable
Disposition de lodos 25 / ano*
* Para una vivienda de 5 ocupantes, con base en un intervalo de
bombeo del tanque septico de 7 aflos.
REFERENCIAS
1. Anderson, D. L.; R. L. Siegrist; and R. J.
Otis. 1985. "Technology Assessment of
Intermittent Sand Filters." U.S.
2. Cagle, W. A. and L. A. Johnson. December
11-13, 1994. "Onsite Intermittent Sand
Filter Systems: A Regulatory/Scientific
Approach to Their Study in Placer County,
California." On-Site Wastewater Treatment:
Proceedings of the Seventh International
Symposium on Individual and Small
-------
Community Sewage Systems.
Georgia.
Atlanta,
3. Crites, R. and G. Tchobanoglous. 1998.
Small and Decentralized Wastewater
Management Systems. The McGraw-Hill
Companies. New York, New York.
4. Sievers, D. M. 1998. "Pressurized
Intermittent Sand Filter With Shallow
Disposal Field for a Single Residence in
Boone County, Missouri." On-Site
Wastewater Treatment: Proceedings of the
Eighth International Symposium on
Individual and Small Community Sewage
Systems. Orlando, Florida.
5. Tarquin, A.; R. Bustillos; and K. Rutherford.
1993. "Evaluation of a Cluster Wastewater
Treatment System in an El Paso Colonia."
Texas On-Site Wastewater Treatment and
Research Council Conference Proceedings.
6. U.S. Environmental Protection Agency.
1980. Design Manual: Onsite Wastewater
Treatment and Disposal Systems. EPA
Office of Water. EPA Office of Research &
Development. Cincinnati, Ohio. EPA 625/1-
80-012.
7. U.S. Environmental Protection Agency.
1992. Manual: Wastewater Treatment/
Disposal for Small Communities. EPA
Office of Research & Development. EPA
Office of Water. Washington, D.C.
EPA/625/R-92/005.
INFORMACION ADICIONAL
Infiltrator Systems Inc.
Technical Sales and Services Department
P.O. Box 768
Old Saybrook, CT 06475
Texas A&M University System
Agricultural Engineering Department
Dr. Bruce J. Lesikar, Associate Professor
201 ScoatesHall
College Station, TX 77843-2117
University of Texas at El Paso
Anthony Tarquin
Civil Engineering Department
El Paso, TX 79968
David Vehuizen, P.E.
5803 Gateshead Drive
Austin, TX 78745
La mention de marcas o de productos
comerciales no significa que la Agencia de
Protection Ambiental de los Estados Unidos
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El contenido de este folleto informativo fue
proporcionado por la National Small Flows
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