Los filtros de arena se diseñan para gestionar el volumen de calidad del agua a tratar, y se deben utilizar en conjunto con otros controles adicionales localizados aguas abajo para proporcionar la adecuada protección contra eventos pluviométricos extremos.

Consideraciones hidráulicas

La cámara de sedimentación más el lecho filtrante deben proporcionar un volumen total igual o superior al 75% del volumen de calidad en almacenamiento temporal antes de que fluya a través del filtro. Este porcentaje puede ser reducido si realizando un análisis detallado de la precipitación y del flujo de salida desde el sistema se comprueba que un menor volumen es aceptable.

El área del filtro debe ser dimensionada para drenar completamente en 40 horas o, si es posible, menos. Y para realizar este dimensionamiento se recomienda emplear la siguiente ecuación basada en los principios de la ley de Darcy (CIRIA C-697). La profundidad del lecho filtrante debe estar entre 0,45 y 0,6 m, y los valores del coeficiente de permeabilidad varían, pero se puede tomar como valor típico 1m/d.

 

Af	Superficie del lecho filtrante (m2)
Vt	Volumen de calidad del agua a tratar (m3)
L	Profundidad del lecho filtrante (m). Valores típicos: 0,4 m-0,6 m
k	Coeficiente de permeabilidad
h	Calado medio del volumen temporal sobre el filtro, es la mitad del calado máximo que suele ser inferior a 2  m
t	Tiempo requerido para tratar el volumen de calidad de agua, que es el tiempo que tarda en percolar a través del lecho. Se recomiendan 40 horas máximo.

A partir del volumen de agua almacenado en el filtro, producto de la superficie por el espesor y por la porosidad de la arena y del volumen almacenado sobre el filtro, se puede determinar el volumen de pretratamiento, que en todo caso debe ser mayor o igual al 25% del volumen de calidad.

La distribución del volumen de tratamiento entre los diversos componentes se puede ver en las imágenes de abajo.

Filtro superficial, con:

Vs	Volumen contenido en la cámara de sedimentación
Vf	Volumen contenido en los poros del lecho filtrante
Vf-temp	Volumen temporal almacenado sobre el lecho filtrante
As	Área de la superficie de la cámara de sedimentación
Af	Área de la superficie del lecho filtrante
hs	Altura del agua en la cámara de sedimentación
hf	Altura media del agua sobre el lecho filtrante
df	Profundidad del lecho filtrante

 

 

Filtro perimetral, con:

Vw	Volumen contenido en la cámara húmeda de sedimentación
Vf	Volumen contenido en los poros del lecho filtrante
Vtemp	Volumen temporal almacenado sobre el lecho filtrante
As	Área de la superficie de la cámara de sedimentación
Af	Área de la superficie del lecho filtrante
hf	Altura media del agua sobre el lecho filtrante

Para evitar el reflujo de agua en el sistema, la altura máxima de agua que puede almacenarse en la cámara de sedimentación debe ser al menos dos veces la altura media de agua por encima del dispositivo filtrante.

En lugares con carga hidráulica insuficiente para el flujo por gravedad, el diseño puede ser ampliado para incluir bombas y pozos. Sin embargo, esta ampliación tendría consecuencias en el mantenimiento a largo plazo y un incremento significativo de los costes.

Especificaciones físicas

El diseño geométrico de los filtros varía considerablemente en función del tipo de filtro: superficial, subterráneo, perimetral, orgánico y pequeños filtros. Sin embargo, hay una serie de relaciones geométricas y requisitos físicos mínimos que deben vigilarse para la adecuada eliminación de contaminantes y la facilidad de la realización de las tareas de mantenimiento.

Geometría

El filtro debe consistir en una capa de arena lavada de unos 0,45 a 0,6 m de espesor situada por encima de un sistema de drenes inferiores. Los filtros superficiales pueden, si es necesario, tener una capa de tierra vegetal o grava de aproximadamente 75 mm de profundidad. Y en otros casos, los filtros orgánicos, la arena se sustituye por compost.

El diseño del filtro debe incluir un tubo de PVC perforado de unos 150 mm de diámetro a modo de drenaje inferior inmerso en una capa de grava, que debe tener una pendiente mínima del 1 por ciento. Los orificios de perforación deben ser del orden de 10 mm de diámetro y espaciados entre sí aproximadamente 150 mm.

El sistema de drenaje inferior debe tener al menos dos tubos de drenaje laterales, y el espaciamiento entre las tuberías no debe exceder los 3 m.

La relación de longitud a anchura de la cámara de sedimentación debería ser, idealmente, de 2:01 como mínimo. Sin embargo, esto sólo puede realizarse en aquellos lugares donde no hay limitaciones de espacio. 

Materiales

La estructura de un filtro de superficie puede construirse con materiales impermeables tales como el hormigón, o realizarse mediante excavaciones y terraplenes de tierra. Cuando está construido con muros de contención de tierras, debe emplearse una lámina geotextil para cubrir el fondo y las pendientes laterales de las estructuras antes de la instalación del sistema de desagüe inferior y del medio filtrante.

Un filtro geotextil permeable debe colocarse tanto por encima como por debajo del lecho de arena para evitar que se obstruya tanto el lecho como el sistema de drenaje inferior.

A la hora de diseñar un filtro de arena, han de escogerse el tamaño medio de poro y la permeabilidad del lecho a instalar en función del flujo que ha de percolar por dicho lecho y de los tamaños de partícula que se quieran retener. La arena del filtro debe ser determinada para satisfacer los criterios de diseño requeridos.

Una arena con tamaños de grano de entre 0,5 y 1 mm, normalmente da el mejor resultado entre la capacidad hidráulica y la eliminación de contaminantes. Pero pueden emplearse otros tamaños en función de los requerimientos específicos de cada caso.

Como ejemplo de los rendimientos de la arena según el tamaño de hueco, se presenta la siguiente tabla: