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Optimizaci�n del dise�o de filtros lentos de arena para potabilizaci�n de agua subterr�nea destinada a consumo humano

 

Optimization of the design of slow sand filters for the purification of groundwater intended for human consumption

 

Otimiza��o do projeto de filtros lentos de areia para purifica��o de �guas subterr�neas destinadas ao consumo humano

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: gerardo.leon@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 29 de abril de 2025 *Aceptado: 23 de mayo de 2025 * Publicado: �30 de junio de 2025

 

        I.            Doctor en Qu�mica, M�ster en Protecci�n Ambiental, Docente investigador, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

Resumen

El acceso a agua potable segura constituye una prioridad en las comunidades rurales, especialmente en aquellas donde las fuentes subterr�neas presentan contaminaci�n microbiol�gica. En este contexto, los filtros lentos de arena representan una alternativa pr�ctica y de bajo costo para potabilizar el agua.

Este trabajo tiene como objetivo mostrar los resultados experimentales obtenidos durante la fase pr�ctica desarrollada en el recinto San Jos�, cant�n Naranjito, donde se eval�a la eficiencia de filtros lentos de arena para la remoci�n de coliformes totales y E. coli. Se emplea un enfoque experimental de tipo aplicado, utilizando prototipos a escala piloto en condiciones reales de laboratorio y de campo. Se analizan tres configuraciones de filtros: arena tradicional, arena fina y filtro mixto (arena-zeolita). Las t�cnicas utilizadas comprenden an�lisis microbiol�gicos (recuento en agar m-Endo) y f�sico-qu�micos.

Los resultados muestran que el filtro mixto, operado a 0,1 m�/m�/h, logra remociones de coliformes totales cercanas al 100%, cumpliendo con la Norma INEN 1108. No obstante, velocidades de filtraci�n m�s altas reducen la eficiencia a valores entre el 80% y el 88%. Se observa que la granulometr�a del medio filtrante y la velocidad de operaci�n son determinantes para la eficacia del sistema. En conclusi�n, este estudio evidencia que la implementaci�n pr�ctica de filtros mixtos en el recinto San Jos� es una soluci�n efectiva y sostenible para mejorar la calidad microbiol�gica del agua subterr�nea.

Palabras clave: Filtros; agua potable; coliformes; granulometr�a; velocidad de filtraci�n.

 

Abstract

Access to safe drinking water is a priority in rural communities, especially those where groundwater sources are microbiologically contaminated. In this context, slow sand filters represent a practical and low-cost alternative for water purification.

This work presents the experimental results obtained during the practical phase developed at the San Jos� campus, Naranjito canton, where the efficiency of slow sand filters for the removal of total coliforms and E. coli was evaluated. An applied experimental approach is used, using pilot-scale prototypes under real-world laboratory and field conditions. Three filter configurations are analyzed: traditional sand, fine sand, and a mixed filter (sand-zeolite). The techniques used include microbiological (m-Endo agar count) and physical-chemical analyses. The results show that the mixed filter, operated at 0.1 m�/m�/h, achieves total coliform removal rates close to 100%, complying with INEN Standard 1108. However, higher filtration rates reduce efficiency to values ​​between 80% and 88%. It is observed that the particle size of the filter medium and the operating speed are decisive factors for the system's effectiveness. In conclusion, this study demonstrates that the practical implementation of mixed filters at the San Jos� site is an effective and sustainable solution for improving the microbiological quality of groundwater.

Keywords: Filters; drinking water; coliforms; particle size; filtration rate.

 

Resumo

Access to safe drinking water is a priority in rural communities, especially those where groundwater sources are microbiologically contaminated. In this context, slow sand filters represent a practical and low-cost alternative for water purification.

This work presents the experimental results obtained during the practical phase developed at the San Jos� campus, Naranjito canton, where the efficiency of slow sand filters for the removal of total coliforms and E. coli was evaluated. An applied experimental approach is used, using pilot-scale prototypes under real-world laboratory and field conditions. Three filter configurations are analyzed: traditional sand, fine sand, and a mixed filter (sand-zeolite). The techniques used include microbiological (m-Endo agar count) and physical-chemical analyses. The results show that the mixed filter, operated at 0.1 m�/m�/h, achieves total coliform removal rates close to 100%, complying with INEN Standard 1108. However, higher filtration rates reduce efficiency to values ​​between 80% and 88%. It is observed that the particle size of the filter medium and the operating speed are decisive factors for the system's effectiveness. In conclusion, this study demonstrates that the practical implementation of mixed filters at the San Jos� site is an effective and sustainable solution for improving the microbiological quality of groundwater.

Keywords: Filters; drinking water; coliforms; particle size; filtration rate.

 

Introducci�n

El acceso a agua potable segura es un derecho humano fundamental y un requisito indispensable para la salud y el bienestar de las poblaciones (Organizaci�n Mundial de la Salud, 2018). Sin embargo, en zonas rurales como el recinto San Jos�, cant�n Naranjito, provincia del Guayas (Ecuador), el suministro de agua subterr�nea se ve amenazado por contaminantes f�sicos, qu�micos y microbiol�gicos, especialmente la presencia de coliformes totales (Gallegos Maridue�a, 2023). Esta problem�tica se agrava debido a la actividad agr�cola intensiva, el uso excesivo de agroqu�micos y la falta de infraestructura de potabilizaci�n adecuada (Gallegos Maridue�a, 2023).

Los filtros lentos de arena (SSF, por sus siglas en ingl�s) se han utilizado hist�ricamente como una tecnolog�a de bajo costo, eficaz y sostenible para mejorar la calidad microbiol�gica del agua destinada a consumo humano (Huisman & Wood, 1974; Loganathan et al., 2015). Este m�todo de tratamiento se basa en procesos f�sicos, qu�micos y biol�gicos que ocurren principalmente en la capa superior del lecho filtrante, conocida como schmutzdecke, que act�a como una biopel�cula natural para la remoci�n de bacterias y otros pat�genos (Muhammed et al., 1996; Mwabi et al., 2013).

Estudios recientes destacan la importancia de optimizar par�metros de dise�o como la granulometr�a de la arena, la velocidad de filtraci�n y la altura del lecho filtrante para incrementar la eficiencia de remoci�n de microorganismos (Jain et al., 2020; Loganathan et al., 2015). Por ejemplo, se ha demostrado que velocidades de filtraci�n bajas (0.1�0.2 m�/m�/h) y arenas con di�metros efectivos (d₁₀) entre 0.15 y 0.35 mm, con un coeficiente de uniformidad menor a 3, favorecen la formaci�n de la schmutzdecke y mejoran la remoci�n microbiol�gica (Muhammed et al., 1996; Loganathan et al., 2015). Adem�s, ajustes en el dise�o hidr�ulico y la profundidad del lecho pueden contribuir a una mayor retenci�n de s�lidos y a una reducci�n de coliformes totales, cumpliendo con est�ndares internacionales como la Norma INEN 1108 (Gallegos Maridue�a, 2023).

En este contexto, la presente investigaci�n tiene como objetivo optimizar el dise�o de filtros lentos de arena para potabilizar agua subterr�nea destinada a consumo humano en zonas rurales, considerando como caso de estudio el recinto San Jos�. Se busca integrar los aprendizajes obtenidos en la tesis de Gallegos Maridue�a (2023) y las mejores pr�cticas internacionales identificadas en la literatura reciente (Mwabi et al., 2013; Jain et al., 2020; Loganathan et al., 2015), con el fin de proponer criterios de dise�o y operaci�n m�s eficientes y sostenibles para este tipo de tecnolog�as.

A fin de comprender de manera integral el funcionamiento y las ventajas de los filtros lentos de arena para la potabilizaci�n del agua subterr�nea, es necesario presentar el sustento te�rico que respalda su dise�o, operaci�n y eficiencia microbiol�gica. Para ello, se expone a continuaci�n el desarrollo conceptual y t�cnico que fundamenta esta tecnolog�a, considerando tanto la literatura cient�fica como las experiencias de campo relevantes para la optimizaci�n del sistema:

Contaminaci�n microbiol�gica del agua subterr�nea y sus riesgos para la salud humana

El agua subterr�nea es una de las principales fuentes de abastecimiento para el consumo humano en zonas rurales y semiurbanas debido a su disponibilidad relativa y a su protecci�n natural frente a la contaminaci�n superficial. No obstante, diversos estudios han evidenciado que, en muchas regiones agr�colas e industriales, el agua subterr�nea presenta contaminaci�n microbiol�gica significativa, particularmente por coliformes totales y Escherichia coli (E. coli), bacterias que son indicadores de contaminaci�n fecal y representan un riesgo elevado para la salud p�blica (Guanilo et al., 2021; Gallegos Maridue�a, 2023).

La Organizaci�n Mundial de la Salud (OMS, 2018) define al agua potable como aquella que no contiene microorganismos pat�genos en concentraciones que representen un peligro para la salud, especificando que la presencia de coliformes totales y E. coli debe ser nula en 100 mL de muestra. En Ecuador, la Norma INEN 1108 establece estos mismos criterios, considerando como indispensable la ausencia de estos microorganismos para calificar el agua como apta para el consumo humano (Gallegos Maridue�a, 2023). Sin embargo, la realidad en comunidades rurales como el recinto San Jos�, en el cant�n Naranjito, refleja concentraciones de coliformes totales que superan con creces estos l�mites: hasta 195 UFC/100 mL, lo que evidencia un problema sanitario grave (Gallegos Maridue�a, 2023).

Las principales causas de la contaminaci�n microbiol�gica en aguas subterr�neas incluyen las malas pr�cticas agr�colas (uso excesivo de fertilizantes y pesticidas), las descargas de aguas residuales no tratadas y las fugas en sistemas de saneamiento (Caraballo y Xavier, 2017; Cer�n et al., 2021). Adicionalmente, la permeabilidad del terreno, la presencia de fisuras geol�gicas y las lluvias intensas pueden facilitar la infiltraci�n de contaminantes hacia los acu�feros (Ruiz y Gonz�lez, 2019).

La exposici�n prolongada al consumo de agua contaminada con coliformes y otros microorganismos pat�genos puede ocasionar enfermedades diarreicas agudas, infecciones gastrointestinales y otras afecciones como dermatitis, otitis y conjuntivitis (Mwabi et al., 2013). Seg�n la OMS (2018), cada a�o aproximadamente 1,8 millones de personas mueren a causa de enfermedades relacionadas con el consumo de agua contaminada, lo que resalta la magnitud del problema.

En este contexto, es crucial implementar tecnolog�as de tratamiento que garanticen la eliminaci�n de microorganismos y cumplan con las normas de potabilidad establecidas (OMS, 2018; INEN 1108). Los filtros lentos de arena se presentan como una alternativa eficaz y sostenible para remover coliformes totales y otros microorganismos en el tratamiento de agua subterr�nea, especialmente en comunidades rurales con recursos limitados (Huisman & Wood, 1974; Loganathan et al., 2015).

Principios y mecanismos de remoci�n en los filtros lentos de arena

Los filtros lentos de arena (SSF, por sus siglas en ingl�s) constituyen una tecnolog�a ampliamente utilizada para la potabilizaci�n de agua, especialmente en zonas rurales y periurbanas debido a su bajo costo, simplicidad operativa y eficacia en la remoci�n de contaminantes microbiol�gicos (Huisman & Wood, 1974; Loganathan et al., 2015). Su funcionamiento se basa en una combinaci�n de procesos f�sicos, qu�micos y biol�gicos que ocurren en el lecho filtrante y, especialmente, en la capa superior conocida como schmutzdecke, la cual desempe�a un papel esencial en la eficiencia del proceso (Muhammed et al., 1996).

Procesos f�sicos

El principal mecanismo f�sico en los filtros lentos de arena es la filtraci�n mec�nica, que retiene part�culas en suspensi�n mediante tamizado entre los poros del medio filtrante (Huisman & Wood, 1974). Este proceso se ve influido directamente por la granulometr�a de la arena (di�metro efectivo y coeficiente de uniformidad), que define el tama�o de los poros y su capacidad para atrapar part�culas s�lidas y microorganismos de mayor tama�o (Jain et al., 2020). Adem�s, la sedimentaci�n juega un papel complementario, ya que las part�culas m�s densas se depositan en las capas superiores del filtro.

Procesos qu�micos

Dentro del lecho filtrante, ocurren procesos de adsorci�n qu�mica y reacciones redox que contribuyen a la retenci�n de contaminantes disueltos y microorganismos (Loganathan et al., 2015). Las superficies de los granos de arena pueden adsorber compuestos org�nicos y metales pesados, aunque en el contexto de potabilizaci�n rural, la remoci�n de microorganismos pat�genos mediante adsorci�n es menos significativa en comparaci�n con el efecto de la biopel�cula (Muhammed et al., 1996). Asimismo, la presencia de ox�geno disuelto favorece la formaci�n de �xidos que pueden inmovilizar algunos compuestos qu�micos.

 

Procesos biol�gicos

La schmutzdecke, o biopel�cula superficial, es uno de los elementos clave para la eficiencia de los filtros lentos de arena. Se trata de una capa de microorganismos (bacterias, protozoos, algas y hongos) que se desarrolla en la interfaz agua-arena y act�a como un sistema biol�gico natural de depuraci�n (Huisman & Wood, 1974; Mwabi et al., 2013). Esta capa es responsable de la degradaci�n de materia org�nica y de la eliminaci�n microbiol�gica mediante predaci�n, competencia y adsorci�n biol�gica (Loganathan et al., 2015). Estudios recientes han destacado que la presencia de especies bacterianas en la schmutzdecke mejora la remoci�n de E. coli y coliformes totales, aumentando as� la seguridad sanitaria del agua (Guanilo et al., 2021).

La formaci�n de la schmutzdecke requiere un per�odo de maduraci�n que puede variar de varios d�as a semanas, dependiendo de las condiciones de operaci�n (velocidad de filtraci�n, calidad del agua cruda y temperatura ambiental). Durante este tiempo, la eficiencia microbiol�gica aumenta progresivamente (Mwabi et al., 2013).

Interacci�n de procesos

Los procesos f�sicos, qu�micos y biol�gicos interact�an de manera sin�rgica para lograr la remoci�n de microorganismos y part�culas. Por ejemplo, la retenci�n f�sica de part�culas por tamizado facilita la posterior descomposici�n de materia org�nica por la schmutzdecke (Huisman & Wood, 1974). Adem�s, la adsorci�n en las superficies minerales y la acci�n de depredaci�n microbiana contribuyen a una remoci�n efectiva de pat�genos, lo que permite cumplir con normativas de calidad como la INEN 1108 (Gallegos Maridue�a, 2023).

En resumen, los filtros lentos de arena representan una tecnolog�a integral que combina procesos de filtraci�n mec�nica, adsorci�n qu�mica y biodegradaci�n, permitiendo una remoci�n eficiente de contaminantes y microorganismos presentes en el agua subterr�nea (Huisman & Wood, 1974; Loganathan et al., 2015).

Par�metros de dise�o y operaci�n de filtros lentos de arena

El dise�o y la operaci�n de filtros lentos de arena son aspectos determinantes para garantizar su eficiencia en la remoci�n de contaminantes y, en particular, de microorganismos pat�genos presentes en el agua subterr�nea. Un dise�o adecuado, acompa�ado de una operaci�n controlada, permite optimizar la formaci�n de la schmutzdecke y la interacci�n de procesos f�sicos, qu�micos y biol�gicos que contribuyen a la potabilizaci�n del recurso h�drico (Huisman & Wood, 1974; Loganathan et al., 2015).

Granulometr�a del medio filtrante

La granulometr�a de la arena es uno de los par�metros m�s relevantes en el dise�o de filtros lentos de arena. Se define principalmente a trav�s del di�metro efectivo (d₁₀) y el coeficiente de uniformidad (Cu). Seg�n Jain et al. (2020), un di�metro efectivo de 0,15 a 0,35 mm y un Cu menor a 3 aseguran un balance adecuado entre la velocidad de filtraci�n y la retenci�n de part�culas y microorganismos. Arenas m�s finas pueden aumentar la eficiencia de remoci�n, pero reducen la velocidad de filtraci�n y favorecen la colmataci�n; mientras que arenas m�s gruesas permiten mayores caudales, pero disminuyen la capacidad de remoci�n microbiol�gica (Gallegos Maridue�a, 2023).

Velocidad de filtraci�n

La velocidad de filtraci�n es otro par�metro cr�tico para la eficacia del filtro. Valores recomendados oscilan entre 0,1 y 0,4 m�/m�/h, dependiendo de la calidad del agua bruta y de las caracter�sticas del medio filtrante (Muhammed et al., 1996). Velocidades m�s bajas favorecen el desarrollo de la schmutzdecke y mejoran la eficiencia de remoci�n de microorganismos como E. coli y coliformes totales (Mwabi et al., 2013). Por el contrario, velocidades elevadas pueden provocar un arrastre prematuro de part�culas y un rendimiento microbiol�gico reducido.

Altura del lecho filtrante

La altura del lecho filtrante (arena) tiene una influencia directa en el tiempo de retenci�n y en la capacidad de remoci�n de s�lidos y microorganismos. Se recomienda una altura m�nima de 0,7 m, que se complementa con capas inferiores de grava y gravilla que act�an como soporte hidr�ulico y evitan la migraci�n de arena fina (Huisman & Wood, 1974). Gallegos Maridue�a (2023) destaca que alturas adecuadas permiten una maduraci�n eficiente de la schmutzdecke y favorecen la remoci�n microbiol�gica cumpliendo con los est�ndares de la Norma INEN 1108.

Dise�o hidr�ulico

El dise�o hidr�ulico incluye aspectos como la distribuci�n del flujo, la uniformidad de la carga hidr�ulica y el sistema de drenaje. Un flujo ascendente o descendente bien distribuido previene la formaci�n de canales preferenciales que reducen la eficiencia de remoci�n (Loganathan et al., 2015). Adem�s, es necesario prever una altura de seguridad para evitar desbordamientos y garantizar una operaci�n continua y estable (Gallegos Maridue�a, 2023).

 

 

Relaci�n entre par�metros de dise�o y operaci�n

El correcto dimensionamiento de la granulometr�a, la velocidad de filtraci�n y la altura del lecho filtrante permite optimizar la formaci�n de la schmutzdecke y potenciar los procesos de filtraci�n, adsorci�n y biodegradaci�n (Mwabi et al., 2013). Esto contribuye a la remoci�n efectiva de microorganismos pat�genos y al cumplimiento de las normas de potabilidad (INEN 1108 y OMS, 2018).

En s�ntesis, el dise�o y la operaci�n de los filtros lentos de arena requieren un equilibrio entre eficiencia microbiol�gica y factibilidad operativa, considerando las caracter�sticas espec�ficas del agua subterr�nea y las necesidades de la comunidad de estudio (Gallegos Maridue�a, 2023).

Experiencias internacionales y estudios de caso sobre filtros lentos de arena

El uso de filtros lentos de arena (SSF) ha sido documentado a nivel mundial como una soluci�n eficaz y sostenible para la potabilizaci�n de agua, especialmente en comunidades rurales y periurbanas con recursos limitados (Huisman & Wood, 1974; Mwabi et al., 2013). La flexibilidad de dise�o, la facilidad de operaci�n y el bajo costo de mantenimiento convierten a los filtros lentos de arena en una alternativa viable para mejorar la calidad microbiol�gica del agua subterr�nea.

Aplicaciones comunitarias y rurales

En �frica y Asia, diversas experiencias han demostrado la eficacia de los SSF para tratar agua subterr�nea contaminada microbiol�gicamente, alcanzando eficiencias de remoci�n de coliformes totales superiores al 95% en condiciones controladas (Mwabi et al., 2013). Por ejemplo, estudios realizados en Sud�frica evidenciaron que los filtros lentos de arena dom�sticos redujeron significativamente las concentraciones de E. coli y coliformes totales, cumpliendo con los est�ndares de calidad establecidos por la OMS (Mwabi et al., 2013). De manera similar, en India, Jain et al. (2020) reportaron que la correcta selecci�n granulom�trica y la operaci�n a velocidades de filtraci�n bajas (0,1 a 0,2 m�/m�/h) permitieron alcanzar eficiencias de remoci�n de hasta el 99% de coliformes totales.

Optimizaci�n de filtros y ajustes operativos

Estudios recientes han explorado ajustes en los par�metros de dise�o para maximizar la eficiencia de los SSF. Muhammed et al. (1996) investigaron la reducci�n de la profundidad del lecho filtrante y su impacto en la remoci�n de turbidez y pat�genos, demostrando que profundidades m�nimas de 0,7 m combinadas con una granulometr�a adecuada y un coeficiente de uniformidad menor a 3 son suficientes para garantizar la eficiencia microbiol�gica. Loganathan et al. (2015) destacaron la importancia de mantener velocidades de filtraci�n bajas para favorecer el desarrollo de la schmutzdecke y mejorar la calidad del agua tratada.

Innovaciones en el dise�o y en los materiales filtrantes

Si bien la arena es el medio filtrante tradicionalmente utilizado, algunas investigaciones han evaluado la incorporaci�n de materiales alternativos como la zeolita, la antracita o mezclas de arena y zeolita para mejorar la retenci�n de contaminantes (Gallegos Maridue�a, 2023; Loganathan et al., 2015). En Ecuador, Gallegos Maridue�a (2023) compar� un filtro lento de arena tradicional con un filtro mixto de arena y zeolita, evidenciando que el filtro mixto logr� una remoci�n del 100% de coliformes totales, cumpliendo con la Norma INEN 1108. Esto resalta la potencialidad de incorporar mejoras locales adaptadas a las caracter�sticas espec�ficas del agua subterr�nea y a las necesidades comunitarias.

Factibilidad econ�mica y social

La implementaci�n de filtros lentos de arena en comunidades rurales ha demostrado ser socialmente aceptable y econ�micamente viable debido a su bajo costo de construcci�n, facilidad de operaci�n y mantenimiento m�nimo (Huisman & Wood, 1974; Mwabi et al., 2013). Adem�s, su adaptabilidad a diferentes escalas (dom�stico o comunitario) y la posibilidad de utilizar materiales locales facilitan su implementaci�n en zonas de dif�cil acceso. No obstante, el �xito de estos sistemas requiere un acompa�amiento t�cnico para el dise�o adecuado y un programa de capacitaci�n comunitaria para su operaci�n y mantenimiento (Loganathan et al., 2015).

En resumen, las experiencias internacionales y estudios de caso confirman que los filtros lentos de arena representan una opci�n efectiva y sostenible para la potabilizaci�n de agua subterr�nea en comunidades rurales, especialmente cuando se optimizan sus par�metros de dise�o y se adapta la tecnolog�a a las condiciones locales (Gallegos Maridue�a, 2023; Mwabi et al., 2013).

 

Materiales y m�todos

El presente estudio corresponde a una investigaci�n de tipo aplicada, con un enfoque experimental y cuantitativo, orientada a optimizar el dise�o de filtros lentos de arena para la potabilizaci�n de agua subterr�nea destinada a consumo humano en el recinto San Jos�, cant�n Naranjito. Se trabaj� con un dise�o experimental que permiti� evaluar el comportamiento de diferentes configuraciones de filtros en condiciones de laboratorio y campo.

La muestra del estudio consisti� en agua subterr�nea proveniente de un pozo de uso comunitario del recinto San Jos�. Se tomaron muestras representativas de agua cruda de acuerdo con protocolos estandarizados de muestreo y se realizaron an�lisis f�sico-qu�micos y microbiol�gicos para determinar los niveles iniciales de coliformes totales y E. coli, as� como par�metros como turbidez, pH y s�lidos disueltos.

Como t�cnicas e instrumentos de an�lisis, se emple� el m�todo de cultivo en agar m-Endo para la determinaci�n de coliformes totales y E. coli, conforme a los lineamientos de la Norma INEN 1108 y la metodolog�a recomendada por la APHA (2017). Para el an�lisis f�sico-qu�mico, se utilizaron turbid�metro, medidor de pH y conduct�metro, garantizando la confiabilidad y precisi�n de las mediciones.

Para la fase experimental, se construyeron prototipos de filtros lentos de arena a escala piloto. Se dise�aron y evaluaron tres configuraciones: filtro de arena tradicional, filtro de arena fina y filtro mixto (arena-zeolita). Cada filtro fue construido con un lecho filtrante de 0,70 m de altura y una capa de grava de soporte de 0,30 m, siguiendo recomendaciones t�cnicas de Huisman y Wood (1974) y las adaptaciones de Gallegos Maridue�a (2023). Se probaron velocidades de filtraci�n de 0,1, 0,2 y 0,3 m�/m�/h para evaluar su influencia en la eficiencia microbiol�gica de los filtros.

El proceso experimental consisti� en operar los filtros de manera continua durante un per�odo de cuatro semanas para permitir la formaci�n y maduraci�n de la schmutzdecke, registrando semanalmente los datos de remoci�n de coliformes y turbidez. Los resultados fueron analizados utilizando estad�stica descriptiva (media y desviaci�n est�ndar) y an�lisis de varianza (ANOVA) para identificar diferencias significativas entre las configuraciones y velocidades de filtraci�n, con un nivel de significancia del 5% (p < 0,05). De esta manera, se estableci� un proceso sistem�tico y riguroso para evaluar la eficacia de los filtros lentos de arena en condiciones reales del recinto San Jos�.

 

Resultados

Los resultados obtenidos durante la fase experimental permitieron analizar de manera detallada el comportamiento de los filtros lentos de arena en la remoci�n de coliformes totales y E. coli en el agua subterr�nea del recinto San Jos�. Seg�n los an�lisis microbiol�gicos iniciales, el agua cruda present� una concentraci�n promedio de 195 UFC/100 mL de coliformes totales, evidenciando as� la necesidad urgente de implementar tecnolog�as de potabilizaci�n que garanticen la seguridad sanitaria del recurso h�drico y cumplan con los est�ndares establecidos por la Norma INEN 1108 (Gallegos Maridue�a, 2023). Este resultado es consistente con estudios previos que reportan altos niveles de contaminaci�n microbiol�gica en fuentes subterr�neas de zonas rurales, atribuibles a malas pr�cticas agr�colas, deficiencias en el saneamiento y la infiltraci�n de aguas residuales (Mwabi et al., 2013; Loganathan et al., 2015).

En relaci�n con la eficiencia de remoci�n de coliformes totales, se observ� que la configuraci�n del filtro mixto de arena y zeolita operado a una velocidad de filtraci�n de 0,1 m�/m�/h alcanz� valores cercanos al 100% de remoci�n en todos los muestreos realizados. Este resultado evidencia la robustez de este sistema y su capacidad para cumplir con los est�ndares de la Norma INEN 1108, demostrando su viabilidad t�cnica como soluci�n de potabilizaci�n en comunidades rurales (Gallegos Maridue�a, 2023). En comparaci�n, el filtro de arena fina alcanz� una eficiencia promedio del 97% y el filtro de arena tradicional del 95% bajo las mismas condiciones, lo que confirma la ventaja de utilizar medios filtrantes mixtos que favorecen la formaci�n de la schmutzdecke y mejoran la retenci�n microbiol�gica, tal como se�alan Loganathan et al. (2015).

No obstante, al incrementar la velocidad de filtraci�n a 0,3 m�/m�/h, la eficiencia de remoci�n disminuy� de forma significativa en todas las configuraciones de filtro evaluadas, alcanzando valores entre el 80% y el 88%. Este hallazgo concuerda con lo reportado por Jain et al. (2020), quienes explican que velocidades de filtraci�n m�s elevadas reducen el tiempo de contacto entre el agua y la schmutzdecke, limitando los procesos biol�gicos y f�sicos que contribuyen a la eliminaci�n de microorganismos pat�genos. Por ello, se reafirma que, para garantizar un rendimiento �ptimo y sostenible, es indispensable operar los filtros lentos de arena a velocidades bajas, priorizando la calidad microbiol�gica del agua por encima del caudal de tratamiento.

Por otro lado, la caracterizaci�n granulom�trica de los medios filtrantes, que se presentan en las figuras 1 y 2, se demuestra que la arena fina empleada en el filtro mixto posee un tama�o efectivo (d₁₀) de 0,15 mm y un coeficiente de uniformidad (Cu) de 2,0, lo que facilit� la formaci�n de la schmutzdecke y favoreci� la remoci�n microbiol�gica. La inclusi�n de zeolita como medio complementario aport� propiedades adicionales de adsorci�n y mejor� la estructura porosa, contribuyendo al aumento de la eficiencia del sistema (Gallegos Maridue�a, 2023). Asimismo, se registr� una reducci�n promedio de turbidez cercana al 70% en todas las configuraciones de filtro, lo que indica una adecuada retenci�n de s�lidos suspendidos y mejora sensorial del agua, aunque este par�metro no present� diferencias significativas entre las configuraciones evaluadas. Este comportamiento es coherente con lo se�alado por Huisman y Wood (1974), quienes destacan que la remoci�n de turbidez es una funci�n secundaria en los filtros lentos de arena.

 

Figura 1: Curva granulom�trica para zeolita gruesa.

Elaboraci�n: Propia.

 

Figura 2: Curva granulom�trica para zeolita fina.

 

En conjunto, estos resultados confirman que la combinaci�n de un medio filtrante mixto y el control adecuado de la velocidad de filtraci�n son factores determinantes para maximizar la eficiencia de los filtros lentos de arena en la potabilizaci�n de agua subterr�nea. Adem�s, el uso de materiales locales como la zeolita y la arena fina, junto con una granulometr�a cuidadosamente seleccionada, refuerza la viabilidad t�cnica y econ�mica de esta tecnolog�a para su implementaci�n en comunidades rurales con recursos limitados. Por lo tanto, este estudio aporta evidencia s�lida que respalda la optimizaci�n de filtros lentos de arena como una soluci�n sostenible y eficaz para garantizar el acceso a agua potable de calidad y proteger la salud p�blica.

 

Discusi�n

Los resultados obtenidos en la presente investigaci�n confirman que los filtros lentos de arena constituyen una alternativa eficaz para la remoci�n de coliformes totales y E. coli presentes en el agua subterr�nea, en concordancia con lo se�alado por Huisman y Wood (1974) y Mwabi et al. (2013). La alta eficiencia microbiol�gica lograda en el filtro mixto (99% de remoci�n) destaca la importancia de optimizar la granulometr�a del medio filtrante, tal como lo demuestra la caracterizaci�n granulom�trica de la arena fina (d₁₀ = 0,15 mm, Cu = 2,0) y la zeolita utilizada en este estudio. Este hallazgo coincide con los planteamientos de Loganathan et al. (2015), quienes resaltan que los filtros que combinan materiales filtrantes heterog�neos tienden a presentar una mayor retenci�n de part�culas y microorganismos debido a la mejora en la distribuci�n de poros y a la formaci�n m�s eficiente de la schmutzdecke.

Asimismo, la disminuci�n de la eficiencia de remoci�n observada al aumentar la velocidad de filtraci�n de 0,1 a 0,3 m�/m�/h respalda la hip�tesis de que las velocidades m�s bajas favorecen el tiempo de contacto y el desarrollo biol�gico en la schmutzdecke, lo que incrementa la retenci�n de microorganismos pat�genos. Este comportamiento fue consistente con los resultados obtenidos por Jain et al. (2020), quienes demostraron que a velocidades de filtraci�n bajas se promueve un equilibrio adecuado entre la filtraci�n f�sica y la actividad biol�gica, optimizando la calidad del agua filtrada. En contraste, las velocidades altas reducen el tiempo de contacto y pueden provocar el desprendimiento de la schmutzdecke, afectando negativamente la eficiencia microbiol�gica y aumentando la turbidez del efluente.

Por otra parte, la reducci�n de la turbidez en aproximadamente un 70% confirma la capacidad de los filtros lentos de arena para retener s�lidos suspendidos, aunque este par�metro no mostr� variaciones significativas entre las diferentes configuraciones de filtro. Este hallazgo coincide con lo se�alado por Huisman y Wood (1974), quienes indicaron que la remoci�n de turbidez en filtros lentos es un proceso secundario en comparaci�n con la remoci�n de microorganismos. Sin embargo, es importante destacar que la reducci�n de turbidez contribuye a la aceptabilidad sensorial del agua y a su calidad general para el consumo humano, por lo que representa un valor agregado de este sistema de tratamiento.

Cabe mencionar que el desarrollo homog�neo de la schmutzdecke observado en el filtro mixto operado a velocidades bajas fue un factor determinante para alcanzar altos porcentajes de remoci�n de coliformes totales. Este resultado coincide con las observaciones de Mwabi et al. (2013), quienes documentaron que la estabilidad y la densidad de la schmutzdecke son indicadores clave de la eficiencia microbiol�gica de los filtros lentos de arena. Por lo tanto, se recomienda implementar programas de monitoreo de la schmutzdecke y pr�cticas de mantenimiento que aseguren su adecuada formaci�n y preservaci�n, evitando intervenciones innecesarias que puedan comprometer su funcionamiento

Por �ltimo, los hallazgos de esta investigaci�n demuestran que la optimizaci�n de los par�metros de dise�o �como la selecci�n granulom�trica del medio filtrante y el control de la velocidad de filtraci�n� son aspectos fundamentales para garantizar la eficiencia de los filtros lentos de arena en la potabilizaci�n de agua subterr�nea en comunidades rurales. Adem�s, el uso de materiales alternativos como la zeolita, combinado con un enfoque de operaci�n cuidadosa, puede potenciar el rendimiento de estos sistemas y contribuir a la sostenibilidad de la soluci�n propuesta. Estos resultados refuerzan la viabilidad t�cnica y econ�mica de los filtros lentos de arena como estrategia de tratamiento descentralizado en el contexto ecuatoriano y en escenarios similares en pa�ses en desarrollo.

 

Conclusiones

Los resultados obtenidos en el recinto San Jos� demuestran que los filtros lentos de arena, particularmente en su configuraci�n mixta de arena y zeolita, constituyen una alternativa eficaz y sostenible para la potabilizaci�n de agua subterr�nea destinada al consumo humano. La remoci�n de coliformes totales cercana al 100% a velocidades de filtraci�n bajas (0,1 m�/m�/h) confirma la viabilidad t�cnica de esta tecnolog�a para cumplir con la Norma INEN 1108 y garantizar la seguridad sanitaria del recurso h�drico.

El estudio tambi�n confirma que la granulometr�a del medio filtrante y la velocidad de filtraci�n son par�metros determinantes para la eficiencia microbiol�gica del sistema. El empleo de un medio filtrante mixto, con arena fina (d₁₀ = 0,15 mm, Cu = 2,0) y zeolita, favorece el desarrollo de la schmutzdecke y mejora la retenci�n de microorganismos, lo que refuerza la robustez del filtro y su adaptabilidad a las condiciones locales.

Sin embargo, se observa que al incrementar la velocidad de filtraci�n a 0,3 m�/m�/h, la eficiencia de remoci�n disminuye significativamente, evidenciando la necesidad de operar los filtros lentos de arena a velocidades controladas que prioricen la calidad del agua tratada sobre la cantidad de producci�n.

Finalmente, la optimizaci�n de filtros lentos de arena, a partir de la combinaci�n de materiales filtrantes locales y el control de los par�metros de dise�o, representa una soluci�n replicable y de bajo costo para mejorar la calidad microbiol�gica del agua subterr�nea en comunidades rurales. Este enfoque contribuye al cumplimiento de los objetivos de desarrollo sostenible relacionados con el acceso a agua potable segura y la protecci�n de la salud p�blica.

 

Referencias

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