Procesos básicos del tratamiento de aguas residuales
El agua es un bien preciado. Para proteger nuestras fuentes de agua naturales y respaldar la producción de agua potable, primero se eliminan los contenidos y contaminantes de las todas las aguas residuales antes de devolverlas a su ciclo natural. Para tratar el agua y lograr la mejor calidad natural posible se utilizan diferentes procesos. En general, el tratamiento de las aguas residuales se puede dividir en dos tipos básicos. En primer lugar, se eliminan del agua las sustancias problemáticas. Esto se realiza con la depuración, la desferrización, la desmanganización, la esterilización, la desalinización o el ablandamiento. En segundo lugar, se agregan sustancias de forma específica para mejorar la calidad e influir en parámetros tales como el valor del pH o la conductividad.
Las fases del tratamiento del agua
Tiene a su disposición varios procesos para llevar a cabo las distintas fasesde preparación del tratamiento del agua
- Procesos físicos para la preparación mecánica, por ejemplo, la aireación, la sedimentación o la influencia térmica. Estos también incluyen el uso de rejillas, filtros y tamices.
- Procesos biológicos tales como el tratamiento anaeróbico de las aguas residuales, la oxidación bioquímica o la digestión de fangos.
- Procesos químicos tales como la neutralización, la desinfección, la floculación y la precipitación. Procesos de membrana tales como la filtración, la ósmosis y la nanofiltración.
Es en las plantas municipales donde se trata el mayor volumen de aguas residuales, por lo que es aquí donde se necesita una combinación más diversa y un procedimiento más eficaz. Los procedimientos utilizados dependen del tipo de planta de tratamiento. Los procesos de tratamiento en las plantas se pueden dividir en diferentes fases.
Fase 1: tratamiento mecánico de las aguas
En la primera fase se tratan mecánicamente las aguas residuales todavía sin tratar, y es aquí donde se elimina entre el 20 y el 30 % de los sólidos que contienen. Para lograrlo, las aguas residuales se conducen a una planta de tamizado en la que una pantalla o tamiz giratorio filtra las impurezas gruesas, por ejemplo, hojas, papel o tejidos. Varias rejillas —desde rejillas gruesas con aberturas de varios centímetros de ancho hasta rejillas finas con aberturas de unos pocos milímetros a través de las que pasa el agua a diferentes velocidades— filtran las impurezas gruesas paso a paso. Los residuos recuperados mecánicamente en la rejilla se deshidratan y eliminan en una planta de incineración.
El agua predepurada pasa a continuación a lo que se denomina un recolector de arena. En la tecnología de tratamiento de aguas residuales se utiliza un tanque de sedimentación para eliminar partículas gruesas, como piedras, trozos de cristal o arena, así como material orgánico grueso que las rejillas no han sido capaces de separar. Lo anterior ocurre a una velocidad de caudal relativamente alta de unos 0,3 m/s. Se distingue entre el colector de arena alargado no aireado, el colector de arena alargado aireado también denominado recolector de arena cilíndrico— y el recolector de arena circular.
El recolector de arena aireada elimina grasas y aceites adicionales de las aguas residuales y ocurre lo siguiente: el aire de proceso que se introduce produce un movimiento rotativo en el agua que transporta a la superficie sustancias más ligeras, por ejemplo, aceites y grasas. Aquí, estas se pueden extraer del agua con facilidad.
Un recolector de arena redondo separa las sustancias del agua residual por medio de la fuerza centrífuga y las absorbe. Una vez efectuada la limpieza en el recolector de arena, se extraen de él los residuos y las sustancias orgánicas. Con esto se mejora la deshidratación del material inorgánico recogido, el cual se puede reutilizar, por ejemplo, en la construcción de carreteras. Si no es posible seguir reciclando los residuos del recolector de arena, estos deben eliminarse adecuadamente, es decir, deben llevarse a un vertedero o destruirse en plantas de incineración de residuos.
El tanque de tratamiento primario de aguas residuales es la siguiente etapa del tratamiento de aguas residuales. La velocidad de las aguas residuales es de aproximadamente 1,5 cm/s, mucho menor que en el recolector de arena. La velocidad del caudal se reduce ensanchando el depósito. Se necesita un caudal lento para que, en función de su naturaleza, las partículas de suciedad más finas se puedan depositar en el fondo o en la superficie del agua. Los fangos producidos por sedimentación (depositados en el fondo) se denominan fango primario y suele estar compuesto por materiales orgánicos. Un rascador empuja el fango primario desde el fondo hacia una tolva de fangos frescos. El lodo primario se empuja desde el fondo a una tolva de lodo fresco mediante un rascador. Las sustancias flotantes se transfieren a un conducto de lodos flotantes. Una bomba transporta los lodos frescos a lo que se conoce como torre de digestión.
En el digestor se produce gas metano en cuatro fases (hidrólisis, acidificación, acetogénesis y metanogénesis); este se convierte en electricidad en una planta térmica de tipo bloque y se puede usar para suministrar energía a la instalación. El proceso de digestión que tiene lugar en el digestor se completa tras unas cuatro semanas. El residuo es un fango inodoro que se suele usar en la agricultura tras deshidratarlo mediante centrifugado o filtrado.
Aquí termina la fase de depuración mecánica. En esta fase se elimina, en promedio, entre el 30 y el 40 % de la contaminación de las aguas residuales. Ahora, en su recorrido por la planta, las aguas residuales pasan a la siguiente fase del tratamiento.
Fase 2: depuración biológica
En la mayoría de plantas de tratamiento de aguas residuales, el agua predepurada en la fase de tratamiento mecánico pasa a lo que se conoce como tanques de aireación, los cuales suelen estar diseñados como tanques de circulación. Aquí es donde se realiza la depuración biológica.
El agua se pone en circulación mediante el suministro de oxígeno y con ayuda de unas hélices. Así se crean unas áreas más o menos ventiladas en las que se generan diferentes condiciones ambientales para las bacterias y los microorganismos. Estos microorganismos se alimentan de los contaminantes orgánicos todavía presentes en el agua y los convierten en sustancias inorgánicas. Las bacterias forman flóculos de fangos activos que flotan libremente en el agua. El suministro de oxígeno estimula la proliferación de bacterias y, de este modo, favorece la formación de fangos activos. En consecuencia, este proceso de tratamiento biológico de aguas residuales también se conoce como proceso de fangos activos.
Las aguas residuales que contienen los fangos activos se vierten en el anque de tratamiento secundario de aguas residuales. Aquí se vuelve a reducir la velocidad del caudal de la corriente de aguas residuales y se produce una sedimentación: los fangos activos se depositan en el fondo del agua depurada, donde pueden separarse del agua limpia con unos dispositivos de depuración mecánicos que se encuentran en el fondo. Una parte de los fangos se transfiere al digestor como biomasa extra. La otra parte de los lodos, también conocida como «lodos de retorno», se devuelve al tanque de aireación para garantizar que haya suficientes microorganismos en el tanque de aireación para descomponer la suciedad. Después del tratamiento biológico, en torno al 90 % del agua residual queda depurada de sustancias biodegradables. Dado que el oxígeno se suministra mediante compresores, la fase de depuración biológica es la que consume más energía durante todo el proceso de depuración. Cuando el agua alcanza la calidad estipulada por la ley, puede volver a su ciclo natural, por ejemplo, a un río. En muchos otros casos, la depuración biológica no es suficiente. En estos casos es necesario llevar a cabo otros procesos de tratamiento de aguas residuales, por ejemplo, la preparación en forma de tratamiento químico. En este caso también se usan aditivos químicos
Fase 3: tratamiento químico de aguas y aguas residuales
En esta fase del tratamiento de las aguas residuales se utilizan procesos químicos para tratarlas. Para este fin se utilizan compuestos químicos para alcanzar los valores estándar del agua establecidos por ley. El tratamiento químico en las plantas de tratamiento de aguas residuales incluye neutralización, desinfección, precipitación de fosfatos, eliminación de nitrógeno, deshielo y eliminación de manganeso.
Neutralización se utiliza para producir el valor de pH prescrito, lo que se consigue añadiendo un ácido, por ejemplo, HCl, o bien una base, por ejemplo, lechada de cal.
Durante la desinfección se eliminan los patógenos agregando cloro o dióxido de cloro. La irradiación de luz ultravioleta en las aguas residuales es una buena alternativa a la incorporación de productos químicos, pero se usa con menos frecuencia. Eliminación de fosfatos. Nuestras aguas residuales suelen estar contaminadas con fosfatos de detergentes, fertilizantes, aditivos alimentarios y heces. Si estos permanecen en las aguas residuales, producen la superfertilización de las masas de agua y el enriquecimiento con nutrientes, lo cual puede causar un crecimiento inútil de las plantas (eutrofización) perjudicial para el ecosistema.
Los fosfatos se eliminan mediante un proceso químico de precipitación o floculación. La precipitación de fosfatos se activa en parte al agregar sales de aluminio o hierro en el recolector de arena o en el tanque secundario de tratamiento de las aguas residuales. Los flóculos de metal-fosfato que se forman durante esta depuración secundaria se extraen del agua residual junto con los fangos activos. En función del modo de operación, el fosfato también se puede «pescar» con la ayuda de los microorganismos de las aguas residuales. En este caso hablamos de una eliminación biológica de fósforo que, sin embargo, todavía se usa en contadas ocasiones.
La depuración química del agua también incluye la eliminación del nitrógeno: esta se usa para eliminar de las aguas residuales los compuestos de nitrógeno perjudiciales para el agua, como por ejemplo, el amoníaco y el amonio. Los compuestos de nitrógeno eliminan el oxígeno necesario para el agua y también pueden matar a los peces cuando se vierten a las masas de agua.
El nitrógeno se elimina por nitrificación y desnitrificación: Durante la nitrificación, el amonio se convierte en un nitrito cuando se agregan bacterias anaerobias y oxígeno, y a continuación en un nitrato en una segunda fase. La desnitrificación posterior también se produce agregando microorganismos anaerobios. Estos descomponen el nitrato en gas nitrógeno a través de actividades enzimáticas y, a continuación, se devuelve a la atmósfera.
Aplazamiento: Para reducir el contenido de hierro de las aguas residuales al valor estipulado, los cationes hierro (II) se oxidan agregando oxígeno. Para iniciar el proceso de oxidación también se debe añadir soda cáustica a las aguas residuales.
Desmanganización: El manganeso suele estar presente en las aguas residuales en forma de hidrogenocarbonato de manganeso. Al añadir oxígeno se forman compuestos de manganeso IV poco solubles que se pueden eliminar del agua con facilidad.
4. Fase: Procesos de membrana / Nanofiltración
En la cuarta y última fase de depuración se utilizan procesos de membrana y filtro. Esta etapa de depuración se combina parcialmente con los procesos químicos de la precipitación y la floculación. Ello da lugar, por ejemplo, al método de filtración por floculación, que consiste en añadir precipitantes y floculantes a las aguas residuales para provocar la floculación de las sustancias que se van a separar. Se añaden precipitantes y floculantes a las aguas residuales, lo que provoca la floculación de las sustancias que se van a separar. A continuación, las aguas residuales que contienen el material floculado pasan a través de un filtro textil o de arena, que las va tamizando lentamente a través de la capa de filtración. Así se eliminan incluso los sólidos orgánicos en suspensión de menor tamaño. La nanofiltración funciona de forma muy similar. Sin embargo, comparada con la filtración normal, el agua pasa bajo presión a través de una membrana que retiene hasta las más mínimas partículas disueltas, como por ejemplo, moléculas o iones de metales pesados. Lo mismo ocurre con la ósmosis inversa, en la que se aplican presiones operativas todavía más altas y membranas más finas.
Los contaminantes retenidos durante la filtración, la nanofiltración y la ósmosis inversa se filtran al tratamiento de fangos en forma fangos tamizados a través del tanque primario del tratamiento de aguas residuales.
Después, el agua llega a la última área de la planta de tratamiento de aguas residuales: el tanque de almacenamiento de agua tratada. Aquí se vuelven a tomar muestras de agua y se verifica su calidad. El agua depurada solo se devuelve a su ciclo natural si cumple los parámetros estipulados por ley.
