Este documento describe dos tipos de lechos filtrantes para la captación de agua: prefiltro horizontal y prefiltro vertical. El prefiltro horizontal consiste en una estructura de entrada, zona de prefiltración horizontal con grava de diferentes tamaños, cámara de captación y zona de salida. El prefiltro vertical tiene una zona de prefiltración vertical, cámara de captación y sistema de control. El documento también proporciona criterios de diseño y métodos para el cálculo de estos sistemas de captación y pretratamiento de agua

1. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
LECHO FILTRANTE
DISEÑO DE OBRA DE CAPTACIÓN
AGUA Y SANEAMIENTO
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y ESTUDIOS EN EL MEDIO AMBIENTE
ELABORADO POR:
Rosa Verónica Reyes Rodríguez
Managua, 11 de Junio de 2011 Carlos Miguel Vanegas Benavides

2. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
TABLA DE CONTENIDO
1. Prefiltro Horizontal: ........................................................................................................................................................ 1
1.1. Principio de Funcionamiento .................................................................................................................................. 1
1.1.1. La estructura de entrada: ................................................................................................................................ 1
1.1.2. La zona de pre filtración: ................................................................................................................................ 2
.
1.1.3. Captación directa: ........................................................................................................................................... 2
1.1.4. Zona de Salida: ................................................................................................................................................ 3
1.2. Conveniencia de su aplicación ................................................................................................................................ 3
1.2.1. Ventajas .......................................................................................................................................................... 3
.
1.2.2. Restricciones ................................................................................................................................................... 3
1.3. Criterios de Diseño .................................................................................................................................................. 4
1.3.1. Calidad del agua: ............................................................................................................................................. 4
1.3.2. Capacidad máxima: ......................................................................................................................................... 4
1.3.3. Velocidad óptima de filtración: ....................................................................................................................... 4
1.3.4. Medio Filtrante: .............................................................................................................................................. 4
1.4. Procedimiento para el diseño ................................................................................................................................. 4
1.4.1. Metodo Simpliflicado: ..................................................................................................................................... 4
1.4.2. Método completo: .......................................................................................................................................... 5
2. Prefiltro Vertical .............................................................................................................................................................. 7
2.1. Principio de Funcionamiento .................................................................................................................................. 7
2.1.1. Zona de pre filtración: ..................................................................................................................................... 7
2.1.2. Captación directa: ........................................................................................................................................... 7
2.1.3. Sistema de control .......................................................................................................................................... 7
2.2. Conveniencia de su aplicación ................................................................................................................................ 8
2.2.1. Ventajas .......................................................................................................................................................... 8
.
2.2.2. Restricciones ................................................................................................................................................... 8
2.3. Criterios de Diseño .................................................................................................................................................. 8

3. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
2.3.1. Velocidad máxima del curso de agua: ............................................................................................................ 8
2.3.2. Calidad del agua: ............................................................................................................................................. 8
2.3.3. Capacidad máxima del prefiltro ...................................................................................................................... 8
2.3.4. Velocidad de filtración .................................................................................................................................... 8
2.4. Procedimiento para el diseño ................................................................................................................................. 9
3. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................................ 10

4. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
I. DEFINICIÓN:
El sistema de lecho filtrante o unidades de prefiltración, como también se denominan es una obra de captación de agua
y al mismo tiempo funciona como pretratamiento, se pueden clasificar de acuerdo a la dirección del flujo, pueden ser de
dos tipos, horizontal y vertical. Los de flujo vertical pueden ser, a su vez, de dos tipos: descendentes y ascendentes.
• Prefiltro Horizontal
• Prefiltro Vertical Múltiple de Flujo Descendente
• Prefiltro Vertical de Flujo Ascendente
1. Prefiltro Horizontal:
1.1. Principio de Funcionamiento
Este tipo de captación indirecta está ubicado en la ribera de cursos superficiales de agua, estando constituido por los
siguientes elementos:
1.1.1. La estructura de entrada:
Para proteger de la erosión y distribuir uniformemente el caudal en toda la sección se sugiere el uso de un muro seco de
ladrillo hueco o de cantos rodados sujetos por una malla de hierro redondo (gaviones). Este muro debe ser construido
con juntas abiertas para que sea absolutamente permeable.
Figura 1: Vista de planta del Prefiltro horizontal.
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 1

5. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
1.1.2. La zona de pre filtración:
Esta es de tipo horizontal, con velocidad de flujo de 0.50 m/h. Conformada por tres o más tramos llenos de grava de
diferentes diámetros dispuestos en sentido decreciente. La longitud de los tramos es variable y depende de la calidad
del agua, del tamaño de la grava y de la velocidad de filtración. Estos tramos tienen las siguientes características:
Capa Profundidad Diámetro mm
1 1.00 25‐80
2 4.50 30‐70
3 4.50 5‐12
El sistema de recolección está formado por una tubería perforada de PVC que desemboca en una cámara de recolección.
Las paredes laterales están formadas por muros secos de cantos rodados, sin armadura, o por bolsas de cemento
Portland tipo 1.
Figura 2: vista longitudinal del prefiltro horizontal, en donde se representan los distintos tramos de grava de diferentes
diámetros.
Para evitar la entrada de agua de escorrentía superficial se sugiere el uso de una capa de arcilla o de tela de polietileno
en la parte superior del prefiltro.
1.1.3. Captación directa:
Cuando se presenten aguas con buenas características que
permitan el uso directo de filtración lenta se utilizará la cámara de
captación lateral ubicada en la ribera de la fuente.
La entrada está protegida por una rejilla de hierro de Φ ¼” con
separación de 2 cm para evitar la entrada de material flotante.
Figura 3: Detalle de cámara de captación lateral ubicada a orillas
del río para captación directa.
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 2

6. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
1.1.4. Zona de Salida:
La zona de salida la constituye la cámara de recolección. Dicho dispositivo cuenta con un sistema de control manual
formado por compuertas de hierro y/o madera.
Figura 4: Perfil transversal del prefiltro, en donde se observa el dren PVC y la cámara de recolección con sus respectivos
sistemas de control de flujo.
1.2. Conveniencia de su aplicación
1.2.1. Ventajas
a. En general, son más eficientes que los sedimentadores, por la gran superficie específica disponible en la grava.
b. Cuando opera con carreras largas, no sólo remueve partículas inertes, sino también microorganismos.
1.2.2. Restricciones
a. Profundidades mayores de 1.5 m y anchos mayores de 5.0 m dificultan la limpieza de la unidad. En general, se
recomiendan profundidades no mayores de 1.0 m y anchos máximos de 4.0 m. Estas recomendaciones
restringen el uso de estas unidades a caudales pequeños; la otra alternativa es considerar muchas unidades en
paralelo.
b. Turbiedades mayores de 300 UNT demandan unidades de 8 a 16 m de largo.
c. Este tipo de prefiltro no es adecuado para la remoción de material coloidal (diámetro < 1 micrón). Debido a que
las concentraciones de oxígeno disuelto en esta clase de prefiltro son generalmente bastante bajas, no teien la
capacidad para remover materia orgánica oxidable, color, hierro y/o manganeso.
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 3

7. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
1.3. Criterios de Diseño
1.3.1. Calidad del agua:
a. Turbiedad máxima: 150 UN (Con filtración lenta)
b. Turbiedad máxima: 750 UN (Con sedimentación simple y filtración lenta)
1.3.2. Capacidad máxima:
10.8 m3/h (Recomendada)
1.3.3. Velocidad óptima de filtración:
0.50 m/h
1.3.4. Medio Filtrante:
Grava de 1/4" a 2", colocada en sentido decreciente. En contacto con los muros se colocará material de
diámetro mayor que el de los orificios.
1.4. Procedimiento para el diseño
Existen varios métodos para el diseño de un prefiltro horizontal entre ellos se encuentra:
1.4.1. Metodo Simpliflicado: 1 2 3
Q B (m) Diámetro del Dren
• Calcular la capacidad necesaria del M3/h H=0.7 m H=1.00 m Φ (in)
prefiltro y asimilarla a su inmediata 3.6 10.30 7.20 3
superior de la columna 1 5.4 15.40 10.80 3
• Seleccionar la altura del prefiltro (entre 7.2 20.50 14.40 4
0.7 y 1 m) de acuerdo a las condiciones 9 25.70 18.00 4
locales y adóptese el ancho 10.8 30.85 21.60 4
correspondiente de la columna 2. 14.4 41.15 28.80 5
• Obtener el diámetro correspondiente al 18 51.43 36.00 6
dren de la columna 3. 21.6 61.70 43.20 6
25.2 72 50.40 8
H=Profundidad de prefiltro 28.8 82.30 57.60 8
B=Ancho del prefiltro 32.4 92.60 64.80 8
36 102.85 72.00 8
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8. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
1.4.2. Método completo:
• Cálculo del área transversal de la unidad (tramo):
‐ Se toman como datos el caudal de diseño (Demanda) Q=1.8 m3/h=
‐ Proponer velocidad de filtración Vf=0.30 m/h
3600 Q 3600 * 0.0005
A= = = 6m 2
VF 0.30
• Cálculo del ancho de la unidad
Se propone hmáx=1.5m
A 6m 2
B= = = 4m
H 1.5m
• Cálculo de la longitud del primer tramo del prefiltro con grava de 4 cm
Ln C1 / C0
l1 =
λ1
λ1 depende de la velocidad de filtración y el tamaño de la grava. Dicho valor se interpola en la siguiente tabla:
Dg(cm) 0.625 1.25 2.5 5
Vf(m/h)
0.1 1.03 0.88 0.69 0.54
0.2 0.93 0.81 0.63 0.49
0.3 0.86 0.68 0.56 0.44
0.4 0.75 0.60 0.43 0.30
0.5 0.62 0.48 0.40 0.24
0.6 0.42 0.3 0.21 0.18
Tabla 1: Valores experimentales de λ
λ1=0.488
La turbiedad máxima del agua cruda es de Co=250 UT
La turbiedad del afluente según la caracterización física de la fuente es C1=100 UT
Ln (100 / 250)
l1 = ≈ 2m
0.488
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9. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
N° Datos Unidad Criterios Resultados Unidad
Caudal de Diseño (Q) m3/s
Número de unidades (N) adim 3600 Q
1 A= Área transversal de cada unidad m2
Velocidad óptima de N . VF
m/h
Filtración (VF)
A
2 Profundidad de la grava (H) m B= Ancho de cada unidad m
H
Se obtiene por
adim
interpolación λ1
Turbiedad máxima del agua Ln C1 / C0 Longitud del primer tramo del
3 UT l1 = m
cruda (C0) λ1 prefiltro con grava de 3.0 a 4.0 cm
Turbiedad efluente del
UT
primer tramo (C1)
Para el segundo tramo λ2 adim Ln C 2 / C1
l2 = Longitud del segundo tramo del
4 Turbiedad afluente (C1) UT m
λ2 prefiltro con grava de 2.0 a 3.0 cm
Turbiedad efluente (C2) UT
Para el tercer tramo λ3 adim Ln C3 / C 2
l3 = Longitud del tercer tramo del
Turbiedad afluente (C2) UT m
λ3 prefiltro con grava de 1.0 a 2.0 cm
Turbiedad efluente (C3) UT
6 L = l1 + l 2 + l3 Longitud total de la unidad m
Volumen de agua contenido qL B l1 − ∀
m3 Altura de agua adicional requerida
7 en la unidad ( ∀ ) h1 = m
B.L para aplicar la tasa de lavado
Tasa de levado (qL) m3/m2
VL . B . L
8 Velocidad de descarga (VL) m/min QL = Caudal de lavado m3/s
60
9 h f 1 = 1 / 3 H VL Pérdida de carga en la grava m
Número de losas sobre el
adim B − an Ancho de las ranuras del canal de
10 canal de limpieza (n) e= m
Ancho de cada losa (a) m n +1 limpieza
Ancho del canal de limpieza
m QL2
(b) Pérdida de carga en el canal de
11 hf 2 = m
Coeficiente de descarga de
adim [(n + 1) Cd e b]2 2 g limpieza
las ranuras (Cd)
hf = hf 1 + hf 2 Pérdida de carga durante una
12 m
descarga
Altura del canal de limpieza h = H + h1 + 1 / 2 h2
13 m Presión de agua sobre la compuerta m
(h2)
14 VC = 2 g (h − h f ) Velocidad en la compuerta de
m/s
descarga
QL
15 AC = Sección de la compuerta m2
VC
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10. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
2. Prefiltro Vertical
2.1. Principio de Funcionamiento
Esta captación indirecta se ubica en el fondo del cauce y está formada por los siguientes elementos:
2.1.1. Zona de pre filtración:
Este prefiltro utiliza grava como medio filtrante, con las siguientes características:
Capa Profundidad (m) Diámetro mm
1 0.1 15‐25
2 0.2 10‐15
3 0.5 5‐10
Siendo el flujo vertical descendente con baja
velocidad (Vf=0.25 m/h). El sistema de recolección
está formado por una tubería perforada de PVC que
desmboca en una cámara de recolección. Las paredes
laterales están formadas por muros secos de cantos
rodados, sin armadura, o por bolsas de cemento
Portland tipo 1.
Para evitar la entrada de agua de escorrentía
superficial se sugiere el uso de una capa de arcilla o
de tela de polietileno en la parte superior del
prefiltro.
2.1.2. Captación directa:
Cuando se presenten aguas con buenas características que
permitan el uso directo de filtración lenta se utilizará la
cámara de captación lateral ubicada en la ribera de la fuente.
La entrada está protegida por una rejilla de hierro de Φ ¼” con
separación de 2 cm para evitar la entrada de material flotante.
2.1.3. Sistema de control
El sistema de control es manual y está formado por
compuertas de hierro y/o madera.
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 7

11. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
2.2. Conveniencia de su aplicación
2.2.1. Ventajas
‐ La limpieza completa es más ágil que en los otros casos, porque la altura de la grava en cada compartimiento es
de sólo 50 cms. Incluso puede ejecutarse dentro del mismo compartimiento.
‐ También posee las ventajas ya presentadas en los prefiltros horizontales.
2.2.2. Restricciones
‐ Este tipo de captación se recomienda usarlo con plantas de filtración lenta con y sin sedimentación simple
laminar, para lo cual las turbiedades de las aguas deberían ser inferiores a 150 y 750 UN respectivamente.
‐ Este tipo de prefiltro no es adecuado para la remoción de material coloidal (diámetro < 1 micrón). Debido a que
las concentraciones de oxígeno disuelto en esta clase de prefiltro son generalmente bastante bajas, no tiene la
capacidad para remover materia orgánica oxidable, color, hierro y/o manganeso.
2.3. Criterios de Diseño
2.3.1. Velocidad máxima del curso de agua:
3 m/s
2.3.2. Calidad del agua:
Turbiedad máxima= 150 UN (Con filtración lenta)
Turbiendad máxima= 750 UN (Con sedimentación simple y filtración lenta)
2.3.3. Capacidad máxima del prefiltro
9 m3/h (recomendada)
2.3.4. Velocidad de filtración
0.25 m/h
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 8

12. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
2.4. Procedimiento para el diseño
Para el diseño de un prefiltro múltiple se utiliza el siguiente procedimiento:
‐ Calcular la capacidad necesaria del prefiltro y asimilarla a su inmediata superior de la columna 1
‐ Seleccionar el area necesaria de la columna 2
‐ Decidir dimensiones del prefiltro en base a condiciones locales
‐ Seleccionar el diámetro del dren secundario (4) considerando el area máxima drenada, columna (3) y una
separación máxima entre drenes de 250 m.
‐ Seleccionar el diámetro del dren principal de la columna 4 de acuerdo al area total del prefiltro en la columna 3.
Q=Caudal
Φ=Diámetro
L=Profundidad del prefiltro
1 2 3 4
Q (m3/h) A*B Area m2 Criterio para la elección del dren
Area máxima drenada Φ (in)
3.6 14.4 7.4 2
5.4 21.6 16.8 3
7.2 28.8 30 4
9 36.6 48.2 5
10.8 43.2 53 5
14.4 57.6 53 6
18 72 94 6
21.6 86.4 94 8
25.2 100.8 230 8
28.8 115.2 230 8
32.4 130 230 8
36 144 230 8
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 9

13. Diseño de obra de captación: Lecho Filtrante 2011
3. BIBLIOGRAFIA
• Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (1982). Plantas modulares para
tratamiento del agua. Tomo 1
• Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (1982). Plantas modulares para
tratamiento del agua. Tomo 1
• Ing. Lidia Vargas de Cánepa (1992) Manual de diseño Tratamiento, Filtración lenta. Centro
Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente División de Salud y Ambiente
Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana-Oficina Regional de la
Organización Mundial de la Salud
• http://www.bvsde.ops‐oms.org/eswww/fulltext/tratagua/lenta/lenta1.html
Elaborado por: Rosa Verónica Reyes /Carlos Miguel Vanegas Página 10