Tratamiento de aguas residuales
Índice de Contenidos Tratamiento de aguas residuales.. residuales....................... ........................................... ........................................... ........................... ...... 3 1
2
Introducc Intr oducción ión ........ ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................. ............... ...... 3 1.1
Caracterización de las aguas residuales ...................... ............................................. .................................. ........... 6
1.2
Operaciones de depuración de aguas residuales residuales...................... ........................................... ..................... 16
Tratamien Trat amiento to previo ........ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................. ................. .......... .. 19 2.1 Cribado............................................. Cribado..................................................................... ................................................ ............................. ..... 19 2.1.1 Rejas .............................................. ...................................................................... ............................................... ......................... .. 22 2.1.2 Tamices........................................... Tamices................................................................... ............................................... ......................... .. 25 2.2 Dilaceración.................... Dilaceración............................................ ................................................ ................................................ ........................ 27 2.3 Desarenado ..................... ............................................. ................................................ ............................................... ....................... 30 2.3.1 Desarenador de flujo horizontal .............................................. ........................................................... ............. 31 2.3.2
3
Desarenador de flujo inducido.......................................... inducido.............................................................. .................... 31
2.4
Desengrasado...................... Desengrasado .............................................. ................................................. ........................................... .................. 32
2.5
Homogeneización ..................... .............................................. ................................................. ...................................... .............. 35
Tratamiento primario primario..................... .......................................... .......................................... ........................................ ................... 37 3.1
Sedimentación ........................ ................................................ ................................................ ........................................ ................ 37
3.1.1
Fundamento de la sedimentación ................................................ ......................................................... ......... 38
3.1.2
Tipos de sedimentadores o tanques de decantación ................................ ................................ 40
3.2
Flotación ...................... .............................................. ............................................... ............................................... ........................... ... 45
3.2.1 3.2.2
Flotación por disolución de aire ........................................... ............................................................ ................. 47 Flotación por inyección de aire ............................................ ............................................................. ................. 48
3.2.3 3.2.4
Flotación por vacío....................... vacío .............................................. ............................................... ............................... ....... 48 Separadores o cámaras de tranquilización tranquilización ........................................... ............................................. .. 49
3.3 Floculación ..................... ............................................ ............................................... ............................................... ......................... .. 49 3.3.1 Proceso físico ............................................. ..................................................................... ....................................... ............... 51 3.3.2 3.4 4
Proceso químico.................................................. químico........................................................................... ............................... ...... 52
Neutralización...................... Neutralización .............................................. ................................................. ........................................... .................. 56
Tratamiento secundario .................... ......................................... .......................................... ..................................... ................ 59 4.1
Principios de la la depuración biológica ..................... .............................................. ..................................... ............ 62
4.1.1
Microflora predominante en el tratamiento biológico................................ biológico................................ 63
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1
Tratamiento de aguas residuales 4.2
Tratamientos biológicos de tipo natural............................ natural.................................................... ........................... ... 64
4.2.1 4.2.2 4.3
Procesos aerobios aerobios de biomasa suspendida suspendida ........................................... ............................................. .. 72 Procesos anaerobios de Biomasa suspendida ......................................... ......................................... 79
4.3.3
Procesos aerobios aerobios de biomasa fija ........................................... ........................................................ ............. 85
4.3.4
Procesos anaerobios de biomasa fija fija....................... .............................................. .............................. ....... 90 Operaciones preliminares en el tratamiento tratamiento de fangos............................. 95
4.4.2 4.4.3
Espesamiento.................................................................................... Espesamiento.............................................................. ...................... 96 Estabilización ............................................. .................................................................... ....................................... ................ 97
4.4.4
Deshidratación ............................................... ....................................................................... ................................... ........... 98
4.4.5
Sistemas de eliminación eliminación del fango ............................................... ...................................................... ....... 101
Tratamiento terciario ...................... ........................................... .......................................... ..................................... ................ 107 Eliminación de contaminantes no biodegradables .................... ....................................... ................... 108 Eliminación de nutrientes ...................... .............................................. ............................................... ......................... .. 112
5.2.1
Eliminación del nitrógeno ........................................... ................................................................. ........................ 112
5.2.2
Eliminación del fósforo fósforo...................... .............................................. ............................................... ......................... 115
Desinfecci Desin fección ón ........ ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................. ................. ................ .......... .. 121 6.1
Desinfectantes químicos ....................... ............................................... ............................................... .......................... ... 122
6.1.1
Cloración ............................................ ................................................................... ............................................ ..................... 123
6.1.2
Ozonización ............................................ ................................................................... ........................................ ................. 126
6.2 7
Tratamiento de los residuos obtenidos en la depuración de las aguas residuales93
4.4.1
5.1 5.2
6
Tratamientos biológicos de instalación........................................................ instalación........................................................ 71
4.3.1 4.3.2
4.4
5
Lagunas de aireación............................................ aireación.................................................................... .............................. ...... 65 Lagunas o estanques de estabilización estabilización ............................................. .................................................. ..... 66
Desinfectantes físicos............................ físicos................................................... ............................................... .......................... .. 127
Ejemplos prácticos. prácticos...................... .......................................... ......................................... ......................................... ..................... 129 7.1
Sistema de tratamiento de aguas de un núcleo urbano ................... ............................... ............ 129
7.2
Ejemplo de dimensionado y cálculo de un sistema de depuración de aguas
urbanas e industriales ....................... .............................................. ............................................... ...................................... .............. 131
8
7.2.1
Cálculos previos.......................... previos................................................... ................................................. ............................ .... 133
7.2.2
Dimensionado del desarenador-desengrasador desarenador-desengrasador.................... ..................................... ................. 136
7.2.3
Cálculo del tratamiento de sedimentación primaria ............................... ............................... 139
7.2.4
Cálculo del tratamiento de fangos activos ............................................ ............................................ 139
Bibliograf Bibli ografía ía ......... ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ............ .... 154
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2
Tratamiento de aguas residuales 4.2
Tratamientos biológicos de tipo natural............................ natural.................................................... ........................... ... 64
4.2.1 4.2.2 4.3
Procesos aerobios aerobios de biomasa suspendida suspendida ........................................... ............................................. .. 72 Procesos anaerobios de Biomasa suspendida ......................................... ......................................... 79
4.3.3
Procesos aerobios aerobios de biomasa fija ........................................... ........................................................ ............. 85
4.3.4
Procesos anaerobios de biomasa fija fija....................... .............................................. .............................. ....... 90 Operaciones preliminares en el tratamiento tratamiento de fangos............................. 95
4.4.2 4.4.3
Espesamiento.................................................................................... Espesamiento.............................................................. ...................... 96 Estabilización ............................................. .................................................................... ....................................... ................ 97
4.4.4
Deshidratación ............................................... ....................................................................... ................................... ........... 98
4.4.5
Sistemas de eliminación eliminación del fango ............................................... ...................................................... ....... 101
Tratamiento terciario ...................... ........................................... .......................................... ..................................... ................ 107 Eliminación de contaminantes no biodegradables .................... ....................................... ................... 108 Eliminación de nutrientes ...................... .............................................. ............................................... ......................... .. 112
5.2.1
Eliminación del nitrógeno ........................................... ................................................................. ........................ 112
5.2.2
Eliminación del fósforo fósforo...................... .............................................. ............................................... ......................... 115
Desinfecci Desin fección ón ........ ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................. ................. ................ .......... .. 121 6.1
Desinfectantes químicos ....................... ............................................... ............................................... .......................... ... 122
6.1.1
Cloración ............................................ ................................................................... ............................................ ..................... 123
6.1.2
Ozonización ............................................ ................................................................... ........................................ ................. 126
6.2 7
Tratamiento de los residuos obtenidos en la depuración de las aguas residuales93
4.4.1
5.1 5.2
6
Tratamientos biológicos de instalación........................................................ instalación........................................................ 71
4.3.1 4.3.2
4.4
5
Lagunas de aireación............................................ aireación.................................................................... .............................. ...... 65 Lagunas o estanques de estabilización estabilización ............................................. .................................................. ..... 66
Desinfectantes físicos............................ físicos................................................... ............................................... .......................... .. 127
Ejemplos prácticos. prácticos...................... .......................................... ......................................... ......................................... ..................... 129 7.1
Sistema de tratamiento de aguas de un núcleo urbano ................... ............................... ............ 129
7.2
Ejemplo de dimensionado y cálculo de un sistema de depuración de aguas
urbanas e industriales ....................... .............................................. ............................................... ...................................... .............. 131
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7.2.1
Cálculos previos.......................... previos................................................... ................................................. ............................ .... 133
7.2.2
Dimensionado del desarenador-desengrasador desarenador-desengrasador.................... ..................................... ................. 136
7.2.3
Cálculo del tratamiento de sedimentación primaria ............................... ............................... 139
7.2.4
Cálculo del tratamiento de fangos activos ............................................ ............................................ 139
Bibliograf Bibli ografía ía ......... ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ............ .... 154
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Tratamiento de aguas residuales
Tratamiento de aguas residuales 1 Introducción La utilización del agua como recurso provoca una disminución de su calidad y, en muchos casos, se presenta un deterioro en el medio ambiente al ser devuelta ésta al medio acuático tras su utilización; de ahí la importancia de depurar el agua para reutilizarla y evitar de esta forma impactos ambientales negativos. Para conseguir este propósito, se deben tener adecuados conocimientos de las diferentes características físico-químicas y biológicas de las aguas residuales, ya que de acuerdo con esta premisa, y los estudios de tratabilidad y/o experiencia, se pueden preseleccionar los posibles métodos de tratamiento y, en consecuencia, diseñar una planta de tratamiento de aguas residuales o la optimización de procesos industriales que puedan brindar los mejores resultados. Es de gran importancia que los criterios que se utilicen sean los mismos: medición de caudales y toma de muestras, ya que la discrepancia entre ellos impide un adecuado análisis de los resultados: por ello, es necesario mantener una guía para la realización de los trabajos de caracterización, con el objetivo de establecer pautas lineales sobre la forma de realizar las medidas de caudales, toma, manipulación y preservación de muestras. En este contexto, el tratamiento de los residuos en general, se puede hacer según tres métodos diferentes: Dilución o eliminación: eliminación: su objetivo es conseguir que la concentración final de contaminante sea la correcta para el medio ambiente, lo cual se logra diluyendo los contaminantes en las mismas aguas de la corriente receptora. Un ejemplo típico son los emisarios submarinos que conducen los contaminantes hasta corrientes profundas y alejadas, donde se diluyen. diluyen. Acumulación o inyección en el terreno: terreno: los contaminantes son inyectados en cajas sedimentarias del terreno, entre capas totalmente impermeables. Este
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3
Tratamiento de aguas residuales método no se debe practicar si existen aguas subterráneas. Concentración o tratamiento específico: consiste en la aplicación de un tratamiento físico, químico o biológico, (según sea la caracterización de las sustancias contaminantes a eliminar), de forma que se produzca una concentración de los contaminantes. El ejemplo más claro de este sistema es el tratamiento de las aguas residuales. Las actividades y fuentes que más contaminación acuática generan son las siguientes: •
Las aguas residuales urbanas. Estas aguas tienen su origen en áreas residenciales y de actividades de tipo doméstico, procedentes de establecimientos tales como hospitales, escuelas, universidades, etc. Se producen básicamente en baños, cocinas y lavanderías. Sin embargo, algunos de estos establecimientos generan aguas catalogadas como industriales, y que pueden llegar algunas veces a ser
•
tóxicas. Los efluentes industriales. De naturaleza diferente a las aguas de suministro utilizadas por el establecimiento en sus procesos de producción, están constituidas por desechos líquidos provenientes de una fábrica o empresa que produce cualquier clase de material o artículo sometido a oferta y demanda en el mercado.
•
Las aguas de escorrentía generadas por las actividades terrestres (por ejemplo, las explotaciones agrarias). Estas aguas se originan por el escurrimiento superficial de las lluvias que fluyen desde los techos, calles, y demás superficies del terreno. Algunas de ellas van al sistema de drenaje y son conducidas por la red de alcantarillado.
•
La naturaleza de dichas aguas varía de acuerdo con su procedencia: zonas urbanas, rurales, semirurales, y zonas dentro de las cuales existe presencia de enormes variaciones, según el tipo de actividad o suelo que se tenga.
•
La deposición de la contaminación atmosférica.
•
Los lixiviados generados por los vertederos y por las explotaciones mineras. Actividad
Contaminantes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Agricultura
x
Química
x
Carbón
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x x
x
x
x
x
x x
x x
4
Tratamiento de aguas residuales Coque y gas
x
Tintes
x x
Alimentación x Hierro Acabados
x
x
x
x
x x
x x x x
x
x
x
x
x x
x x x x
x
metálicos Minería
x
x
x
metálica Refinado de
x
x x
x
aceites Papel
x
Acero Curtidos
x
x
x
x x
x
x x x
x
x x x x
x
x
x
x
(tenería) Textiles
x x x
x
x
1: ácidos. 2: alcalís. 3: residuos químicos. 4: color. 5: cianuro. 6: detergentes. 7: elevada temperatura. 8: grasas. 9: residuos químicos orgánicos. 10: fenoles. 11: sólidos. 12: materiales tóxicos orgánicos. 13: materiales tóxicos. Las fuentes de contaminación pueden clasificarse en dos tipos principales: 1. Fuentes puntuales o localizadas. Son aquellas fuentes que vierten sustancias contaminantes en el interior de un sistema de agua terrestre a través de unos puntos concretos. Estos puntos pueden ser conducciones, acequias, colectores, etc. Las fuentes puntuales suelen estar asociadas a un único emisor (fábricas, industrias, estaciones de depuración de aguas residuales, etc.), por lo que son fácilmente identificables y controlables. 2. Fuentes no puntuales o dispersas. Son aquellas fuentes que vierten sustancias contaminantes en el interior de un sistema de agua terrestre, de forma no conducida, a través de un área considerable. Dentro de este grupo se engloban las aguas de escorrentía o las que fluyen a través de filtraciones del terreno. Entre los ejemplos más comunes encontramos granjas, cultivos,
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5
Tratamiento de aguas residuales jardines, solares en construcción, vías de comunicación terrestres, vertederos, etc. Estos efluentes procedentes de las aguas de lluvia y de riego, suelen contener restos de productos fitosanitarios, fertilizantes, aceites, gomas, metales pesados, etc. La polución que originan es de difícil control, ya que su descarga no está localizada en un punto. Una de las mayores dificultades que entraña su identificación es el hecho de que la polución se puede manifestar en lugares alejados de la fuente no puntual; por otra parte, los efectos negativos se pueden manifestar al cabo de varios años de haberse producido el vertido, ya que el suelo retiene los elementos contaminantes y retarda su detección. El objetivo de los tratamientos de depuración de un agua residual es el de separar y concentrar o transformar los diferentes tipos de contaminantes presentes, para garantizar la calidad que exige la legislación para poder verter agua depurada al cauce final receptor. Esta depuración se lleva a cabo a través de una serie de etapas u operaciones unitarias secuenciadas, las cuales pueden desarrollarse, todas o alguna de ellas, en el mismo lugar de producción del agua residual o en plantas centralizadas al servicio de varios usuarios (por ejemplo, depuradoras donde se tratan conjuntamente aguas residuales de origen urbano y de origen industrial).
1.1
Caracterización de las aguas residuales
La caracterización de aguas residuales está sujeta a los objetivos que persigue la Empresa (exigencias de entidades reguladoras, optimización de recursos, etc.) y está asociada a la información básica que ella tenga: por ello, es preciso conocer las razones que mueven a una industria a realizar un trabajo, conocer su situación real (interna y externa), para así determinar los límites del estudio y programar el trabajo más adecuado. La información obtenida permite determinar el sitio, tiempo de duración y clase de muestreo que se debe realizar. Después de que haya sido identificado el tipo de descarga y se hayan determinado los sitios de aforo y muestreo, se deben realizar las adecuaciones necesarias para garantizar que la toma de muestras sea fidedigna, ya que de la representatividad de éstas depende la veracidad de los resultados; asimismo, se debe definir la frecuencia de muestreo, y de
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Tratamiento de aguas residuales acuerdo con los parámetros que se determinen, establecer la forma de manejo y preservación de las muestras. Para finalizar, es necesario analizar los resultados y hacer una interpretación, basándose en la información suministrada (figura 1).
Figura 1.- Etapas para el desarrollo de una caracterización de aguas residuales. Las etapas de depuración a llevar a término dependen de las características del agua a tratar y del grado de depuración que se quiere conseguir, el cual será función del destino del agua tratada (consumo, vertido, etc.). Para poder determinar cuál es el proceso más adecuado y efectivo se deben caracterizar las aguas residuales.
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7
Tratamiento de aguas residuales Parámetros para la caracterización de las aguas residuales Variación del caudal en el tiempo. Parámetros organolépticos. Sólidos totales.
Contenido en materia orgánica (DBO y DQO). Temperatura. Nitrógeno. Fósforo. Alcalinidad. Grasas. Metales pesados.
Los parámetros de caracterización que habitualmente se determinan son: 1.
Variación del caudal de las aguas respecto del tiempo. Constituye un parámetro fundamental para dimensionar la planta depuradora y seleccionar la maquinaria adecuada.
2.
Parámetros organolépticos (sabor, olor, turbidez y color). Pueden dar una indicación sobre el origen de las aguas y, en algunos casos, nos pueden ahorrar muchos análisis intermedios. Ejemplos: •
Un color amarillo-rojizo (como el de las aguas de la red de Moscú) delata un alto contenido de hierro en el agua.
•
Un agua con un ligero olor a huevos podridos es muy probable que contenga ácido sulfhídrico (H2S) de agua industrial o urbana.
•
Un agua salada suele ser consecuencia de la presencia de agua marina en un acuífero o de una disolución de sales procedentes de una mina cercana.
•
Un agua turbia (alto contenido en sólidos en suspensión) puede ser
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8
Tratamiento de aguas residuales debida al paso de este agua por un terreno arcilloso. 3.
Sólidos totales. Analíticamente se define el contenido en sólidos totales como la materia que se obtiene como residuo tras someter un volumen conocido de agua a un proceso de evaporación a 103-105ºC. Dentro de los sólidos totales se distinguen dos fracciones: •
Sólidos filtrables: partículas de diámetro menor a 0,1 mm. Es el conjunto de sólidos en disolución y partículas en dispersión coloidal. Los sólidos en disolución se caracterizan por precipitar al ser sometidos a una reacción química, y pueden tener un origen natural (sales disueltas y aniones) o bien artificial (originados por la acción humana). Las partículas en dispersión coloidal son tan pequeñas (menores de 0,1 mm), que las corrientes de convección las mantienen en suspensión y, por tanto, no sedimentarán nunca por sí mismas, por mucha calma que haya. Normalmente, los coloides llevan una carga eléctrica asociada que les impide juntarse para sedimentar: por ello se necesita la presencia de polielectrolitos, que rompan dicha carga y permitan la sedimentación de los coloides.
•
Sólidos no filtrables: partículas de diámetro mayor a 0,1 mm. Constituyen los sólidos en suspensión. Son partículas relativamente grandes (mayores de 0,1 mm), que tienen tendencia a sedimentar, pero no lo pueden hacer debido a las turbulencias y velocidad del agua.
Un concepto diferente es el de "Sólidos Sedimentables" que se define como aquellos que sedimentan en el fondo de un recipiente de forma cónica ("Cono de Imhoff") en el transcurso de un período de 60 minutos (figura 1.2). Constituye una medida aproximada de la cantidad de fango que se obtendrá en la decantación primaria del agua residual y, por consiguiente, es de gran ayuda para dimensionar dicho tratamiento.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 2.- Conos Imhoff. Los sólidos sedimentables se acumulan en la parte inferior. Fuente: reseña bibliográfica nº 9. A su vez, los sólidos pueden clasificarse en "Sólidos Volátiles" y "Sólidos Fijos" según su volatibilidad a 550±50ºC. Los sólidos volátiles están constituidos por los sólidos orgánicos que a la temperatura citada se oxidan y desaparecen como gas, mientras que los sólidos fijos los forman los sólidos inorgánicos que a 550ºC quedan en forma de cenizas. 4.
Contenido en materia orgánica. Se mide, en la mayoría de las ocasiones, en función de la DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) y de la DQO (Demanda Química de Oxígeno). DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno). Se define como la cantidad de oxígeno disuelto (expresado en mg/l o ppm) en una muestra de agua, usado por los microorganismos para realizar la oxidación bioquímica de la materia orgánica biodegradable contenida en este agua. El método de la DBO se efectúa siguiendo los siguientes pasos: 1. Diluir un volumen de muestra de agua residual, con otro volumen de agua inoculada con un cultivo mixto de bacterias saprófitas y bacterias autótrofas. Cuando el agua residual contiene una gran población de microorganismos la inoculación no es necesaria. 2. Analizar el contenido de oxígeno de la dilución resultante. 3. Dejar reposar la disolución resultante en una incubadora a 20 ºC (si se deja en reposo 5 días se obtendrá la DBO5).
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10
Tratamiento de aguas residuales 4. Analizar el contenido de oxígeno de la dilución incubada. 5. El valor de la DBO5 corresponderá a la diferencia entre el oxígeno disuelto existente en la muestra antes y después de la incubación de cinco días. Debe mencionarse que 5 días no son suficientes para lograr la completa oxidación biológica ya que éste es un proceso lento que teóricamente necesitaría de un tiempo infinito para completarse. Se considera que en un período de 20 días se completa en un 95-99% la oxidación de la materia orgánica, mientras que en 5 días este valor es del 60-70% (figura 1.3). A pesar de las limitaciones de este parámetro (requiere de inóculos con una alta concentración de microorganismos aclimatados, debe reducirse el efecto de las bacterias nitrificadoras, necesita pretratamientos cuando se trabaja con agua residual que contiene agentes tóxicos, sólo mide la materia orgánica biodegradable, etc.) se usa habitualmente porque: •
Determina la cantidad aproximada de oxígeno necesario para la estabilidad biológica de la materia orgánica.
•
Sirve para dimensionar las instalaciones de tratamiento de agua residual. Mide la eficacia de algunos procesos.
•
Determina la conformidad con los valores de descarga permitidos.
•
En referencia a la figura 3, la curva real de la variación de la DBO es la resultante de dos reacciones principales: •
Síntesis bacteriana: A partir de las materias orgánicas degradables. Generalmente se completa en 1 ó 2 días (Fase A).
•
Crecimiento de bacterias: Utilizando la biomasa sintetizada anteriormente como sustrato (Fase B).
•
La curva teórica surge de considerar que la DBO varía con el tiempo, según una ecuación de primer orden: DBOt = DBOu (1-e-kt).
Donde:
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11
Tratamiento de aguas residuales •
DBOt: DBO a t días.
•
DBOu: DBO última (cuando se ha completado la oxidación de la materia orgánica).
•
t: tiempo de incubación (en días).
•
k: constante cinética o constante de desoxigenación, se trata de un valor empírico que oscila entre 0,10 y 0,8 días-1 (valor medio 0,25 días-1).
Figura 3.- Variación de la DBO con el tiempo. Fuente: elaboración propia a partir de reseña bibliográfica nº 12. Según el valor de la DBO5 se puede establecer una clasificación empírica del grado de contaminación de un agua residual urbana (según Moreno Grau): Contaminación del agua DBO5
Débil
(mg/l) <200
DQO (mg/l)
<400
Media
Fuerte
Muy fuerte
350
500
>750
700
1000
>1500
Los valores de la DBO5 de un agua residual de origen doméstico oscilan entre los 200-400 mg/l, mientras que los de vertidos de industrias alimentarias suelen ser superiores a los 1000 mg/l (exceptuando algunas industrias altamente contaminantes como las que vierten alpechines (aceiteras) y vinazas (industrias alcoholeras), donde la DBO5 supera los 5000 mg/l).
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Tratamiento de aguas residuales DQO (Demanda Química de Oxígeno). Este método se basa en realizar la oxidación de la materia orgánica (biodegradable y no biodegradable) mediante un reactivo químico oxidante (actualmente se emplea dicromato potásico) en medio ácido, a elevada temperatura y en presencia de un catalizador (se suele emplear sulfato de plata) para facilitar la oxidación de cierta clase de compuestos orgánicos. La reacción, sin igualar, es:
Las ventajas que presenta el método de la DQO frente al de la DBO son: •
Es más rápido que el de la DBO (dura unas 3 horas).
•
Es aplicable cuando las aguas contaminadas contienen agentes tóxicos para los microorganismos, ya que en este caso el método de la DBO daría valores de materia orgánica mucho más bajos de los que realmente hay.
Dado que el compuesto químico oxidante es mucho menos selectivo que los microorganismos, toda la materia oxidable presente se oxidará (incluso aquella que no sería descompuesta por microorganismos). Por lo tanto, los valores obtenidos de DQO serán superiores (o como mínimo iguales) a los valores correspondientes de DBO. Normalmente, se acepta que si el valor de la relación DBO/DQO es de aproximadamente 0,5 o más, el agua es tratable biológicamente (biodegradable), mientras que si es más pequeño de 0,5 se considera difícilmente biodegradable: Agua biodegradable
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Agua difícilmente biodegradable
13
Tratamiento de aguas residuales
Figura 4.- Ejemplo de cálculo de la materia orgánica. © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales
Otra manera de medir la materia orgánica presente, cada vez más popular por su rapidez, es la determinación del Carbono Orgánico Total que Total que es especialmente aplicable para pequeñas concentraciones de materia orgánica. El análisis consiste en inyectar una cantidad conocida de muestra en un horno de alta temperatura a un medio oxidante. En estas condiciones, y en presencia de un catalizador, el carbono orgánico se oxida a dióxido de carbono el cual se cuantifica por medio de un analizador de infrarrojos. 5.
Temperatura. La Temperatura. La temperatura del agua residual suele ser siempre mayor que la del agua de suministro, debido principalmente a la incorporación de agua caliente de las casas y de los diferentes usos industriales.
6.
Nitrógeno. Puesto que el nitrógeno es absolutamente básico para la síntesis de proteínas, será preciso conocer datos sobre su contenido en las aguas residuales para valorar la posibilidad de su tratamiento mediante procesos biológicos. Cuando su contenido sea insuficiente, será preciso añadirlo para hacer tratable el agua residual.
7.
Fósforo. Fósforo. El fósforo orgánico es de poca importancia en la mayor parte de los residuos domésticos, pero puede ser un constituyente importante en los vertidos industriales y fangos de aguas residuales domésticas. d omésticas.
8.
Alcalinidad. Normalmente, Alcalinidad. Normalmente, las aguas residuales son alcalinas (es decir, tienen un pH superior a 7) debido a la presencia en ellas de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos añadidos en los usos domésticos. El grado de alcalinidad en un agua residual es importante para el desarrollo de tratamientos químicos e influye también en la eliminación biológica de nutrientes.
9.
Grasas. Grasas. La presencia de grasas y aceites en el agua residual puede provocar problemas tanto en la red de alcantarillado como en las plantas de tratamiento. Este problema se solventa con la introducción de sistemas de desengrasado en las plantas de tratamiento de aguas. Si no se eliminan las grasas y aceites antes de su vertido, pueden interferir con la vida biológica en aguas superficiales y crear películas y acumulaciones de materia flotante degradable.
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Tratamiento de aguas residuales 10. Metales pesados. Son frecuentemente añadidos al agua residual en el curso de ciertas actividades comerciales e industriales. Debido a su toxicidad, la presencia de cualquiera de ellos en cantidades excesivas interferirá con gran número de usos del agua, por lo que deberán separarse si se pretende reutilizarla.
1.2
Operaciones de depuración de aguas residuales
Las operaciones de depuración de un agua admiten dos clasificaciones distintas. La primera se realiza en base al tipo de elemento utilizado en el proceso y se distinguen: •
Tratamientos Biológicos. Biológicos. Cuando (microorganismos).
hay
actuación
de
elementos
vivos
•
Tratamientos Físico-Químicos. Físico-Químicos. Cuando lo que intervienen son reactivos químicos y/o factores físicos.
La segunda clasificación se realiza según la ubicación del proceso dentro del esquema de la planta de tratamiento, lo que conduce a definir: •
Tratamientos Previos o Pretratamientos. Para Pretratamientos. Para separar sólidos groseros.
•
Tratamientos Primarios. Primarios. El artículo 2 de la directiva 91/271/CEE los define como los tratamientos físicos y/o químicos que comportan la sedimentación de sólidos en suspensión, reduciéndose la DBO5 al menos en un 20% y los sólidos en suspensión totales en, como mínimo, un 50%. 5 0%.
•
Tratamientos Secundarios. Secundarios. En el mismo artículo de la directiva citada se definen como el tratamiento del agua residual mediante un proceso que, en general, comporta un tratamiento biológico con sedimentación secundaria, u otro proceso en el que se respetan los requisitos establecidos en la tabla 1.2. Parámetro DBO(3)(4)
Concentración máxima (1) a la salida del trat. secundario 25 mg O2/l
DQO(3)
Porcentaje mínimo de reducción(1)(2) 70-90 % 75 %
125 mg O2/l Sólidos Totales
35 mg SS/l(5) 90 %
(1) Se aplica el valor de la concentración o el porcentaje de reducción. (2) Reducción en relación a la carga del influente.
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16
Tratamiento de aguas residuales (3) Muestras homogeneizadas no filtradas ni decantadas, excepto el caso de agua procedente de lagunaje, cuyo análisis se hace sobre muestras filtradas (si los sólidos suspendidos totales no son superiores a 150 mg SS/l). (4) El análisis se realiza adicionando un inhibidor de nitrificación. (5) Requisito facultativo.
Tabla 1.- Requisitos que deben cumplir los vertidos de instalaciones de depuración de aguas residuales, según la directiva 9l/27l/CEE.
•
Tratamientos Terciarios, encaminados a eliminar los contaminantes orgánicos no biodegradables (compuestos sintéticos) y nutrientes minerales (especialmente nitrógeno y sales de fósforo).
•
Desinfección, es el paso final en los procesos de tratamiento de aguas residuales, su misión es matar bacterias enteropatógenas y virus que no fueron eliminados en las etapas previas del tratamiento.
En lo que sigue nos basaremos en esta última clasificación para ir describiendo los procesos de depuración de un agua residual. Es frecuente disponer, como medida de seguridad contra un exceso de caudal ya sea por agua de lluvia o del mismo influente a tratar, de un aliviadero de seguridad que hace las veces de by-pass general a una corriente. Después de ser tratada, el agua residual debe ser evacuada al medio acuático (vertido y dilución en corrientes, alcantarillado, ríos, lagos, estuarios o el mar) o reutilizada, por ejemplo, como agua de riego o como agua para refrigeración industrial. Tipo de proceso de tratamiento Pre-tratamiento.
Tipo de proceso de tratamiento Procesos físicos.
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Ejemplo Cribado y tamizado. Dilaceración. Desarenado. Desengrasado. Homogeneizado.
Objetivos Retención de gruesos flotantes. Reducción del tamaño de los sólidos. Separación de arena en suspensión. Separación de grasas y aceites. Homogeneizar la concentración y el
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Tratamiento de aguas residuales caudal del agua residual. Tratamiento primario.
Procesos físicos y
Sedimentación.
Reducción de la DBO5
químicos.
Flotación. Floculación. Neutralización.
en al menos un 20%. Reducción de los sólidos en suspensión en un 50-85%.
Procesos biológicos.
Procesos aerobios.
Tratamiento
Procesos anaerobios.
El influente del
secundario.
Procesado de los residuos sólidos.
tratamiento secundario debe haber reducido su DBO inicial en un 7090% y los sólidos totales en un 90%.
Tratamiento terciario. Procesos químicos.
Eliminación de contaminantes no biodegradables. Eliminación de nutrientes
Separación de los contaminantes orgánicos no biodegradables y los nutrientes minerales.
Procesos físicos y químicos .
Desinfección química.
Eliminación de microorganismos patógenos.
Desinfección.
Tabla 2.- Proceso típico en una estación depuradora de aguas residuales. Fuente: Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya). Puntos a destacar •
El uso que el hombre hace del agua provoca su contaminación, hecho que obliga a depurarla para poder reutilizarla o para evitar impactos ambientales negativos.
•
La mayor parte de las aguas residuales proceden de: Aguas Residuales Urbanas, Efluentes Industriales y Aguas de Escorrentía de Usos Terrestres.
•
Las fuentes de contaminación de agua residual se dividen en: Fuentes puntuales (la descarga de elementos contaminantes en el interior de un sistema de agua terrestre se realiza a través de puntos específicos) y Fuentes no puntuales o dispersas (la descarga en el interior de un sistema de agua terrestre es a través de un área considerable).
•
La depuración de un agua residual consiste en separar y concentrar o transformar los diferentes tipos de contaminantes presentes.
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18
Tratamiento de aguas residuales •
Los parámetros de caracterización de un agua residual más empleados son: Sólidos en suspensión (S.S.), Demanda Biológica o Bioquímica de Oxígeno (DBO), Demanda Química de Oxígeno (DQO).
•
Las operaciones de depuración de un agua residual se clasifican en: Tratamientos Previos o Pretratamientos, Tratamientos Primarios, Tratamientos Secundarios, Tratamientos Terciarios y Desinfección.
2 Tratamiento previo La misión del tratamiento previo es la separación de materias y cuerpos gruesos (maderas, plásticos, ramas, telas, etc.) y arenosos, que son arrastrados junto con las aguas y, que de no ser apartados: •
Dañarían mecánicamente los equipos de las siguientes fases de tratamiento.
•
Sedimentarían en las tuberías y conductos de la instalación, obstruyéndolos.
Los pretratamientos más frecuentes son: 1. Cribado (rejas y tamices). 2. Dilaceración. 3. Desarenado. 4. Desengrasado. 5. Homogeneización. Aunque consideraremos la operación de desarenado en el tratamiento previo, en algunas obras la consideran perteneciente al tratamiento primario. Algo parecido sucede con la separación de aceites y grasas, ya que hay quien la considera un tratamiento previo mientras que para otros es un tratamiento primario; de cualquier forma, esta separación, que se realiza por flotación (proceso físico), es frecuente que se efectúe simultáneamente al desarenado en una instalación única para ambos.
2.1
Cribado
Al inicio de la línea de tratamiento de aguas de la mayoría de estaciones depuradoras, se sitúa un Pozo de Gruesos (figura 6) con el objetivo principal de retener en su interior una
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Tratamiento de aguas residuales parte de los sólidos de tamaño mayor (operación de desbastado) como cartones, botellas, plásticos grandes, etc. Estos sólidos son periódicamente separados del fondo d el pozo mediante palas bivalvas.
Figura 5.- Pozo de gruesos a la entrada de la depuradora de Rubí (Barcelona). Fuente: Entrecanales y la Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya). Desde el pozo de gruesos, y tras elevar el agua mediante un tornillo sin fin (figura 7) si el nivel del pozo está por debajo del de la planta depuradora, se inicia el tratamiento propiamente dicho, siendo normalmente un cribado (método físico de separación de sólidos) la primera etapa que se realiza en una planta de tratamiento de aguas residuales.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 6.- Tornillos sin fin para la elevación de las aguas desde el pozo de gruesos al nivel de tratamiento en la EDAR de Granollers (Barcelona). (A) Fuente: catálogo de Cubiertas y la Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya). (B) Esquema de funcionamiento. Este cribado no es más que una continuación del proceso de desbastado ya iniciado en el pozo de gruesos y, cuando los hayan, en los tornillos sin fin que, además de realizar una acción de bombeo, dejan en el nivel inferior los objetos de gran tamaño.
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Tratamiento de aguas residuales El cribado se efectúa mediante rejas o tamices y tiene como objetivo separar todos aquellos materiales de tamaño excesivamente grueso que, además de representar de por sí una forma de contaminación (sólidos en suspensión), pueden dañar u obstaculizar las fases sucesivas de tratamiento. El desbastado mediante rejas o tamices es una operación sencilla pero llamativa, ya que en ella se retienen los sólidos de gran tamaño. Estos sólidos son una verdadera muestra de la actividad que se ha realizado en la población unas horas antes, ya que en su mayoría proceden de los restos que se arrojan por los inodoros y los fregaderos urbanos. Así encontramos desde restos de comida hasta pelos, plásticos, trozos de cristales y algunos objetos sorprendentes (lentillas, piezas dentales, etc.).
2.1.1 Rejas En el canal de entrada del agua a una planta depuradora lo habitual es encontrar una reja, constituida por barras paralelas que forman un ángulo de 30 a 80º respecto a la superficie del agua (aunque también las hay horizontales y verticales). En esta reja quedarán retenidos todos aquellos cuerpos voluminosos, flotantes y en suspensión, arrastrados por el agua y cuyas dimensiones superen la luz de paso de la reja. Las rejas más simples son las de limpieza manual que suelen presentar una separación entre barras de 5 a 10 cm (se denominan Rejas de Separación Gruesa). Otras aprovechan la limpieza hidráulica efectuada por el mismo flujo del influente. Ambos sistemas presentan bajos costes de instalación, pero no garantizan un alto rendimiento de separación y además deben controlarse continuamente, especialmente en los períodos de fuerte presencia de corpúsculos.
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Tratamiento de aguas residuales
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 7.- Reja mecánica de limpieza automática con rastrillos (izq.) Mecanismo tractor del rastrillo. Fuente: reseña bibliográfica nº 7. (derecha.) Esquema de funcionamiento de las rejas de limpieza automática. Frente a las citadas encontramos las rejas de limpieza automática (figura 8) con separación de sus barras de entre 1 y 5 cm (son las Rejas de Separación Media). Estas disponen de unos "peines" o "rastrillos" que, movidos por un sistema tractor de cadenas, arrastran los objetos retenidos hasta el interior de un cesto o los descargan sobre una cinta transportadora. También son muy utilizadas las rejas autolimpiables sin sistema de rastrillo (figura 9).
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24
Tratamiento de aguas residuales
Figura 8.- Esquema de rejas autolimpiables sin sistema de rastrillo. Fuente: elaboración propia. El diseño más común es colocar en la entrada del colector a la estación depuradora una reja de apertura gruesa de limpieza manual, como pretratamiento respecto a la reja de apertura media colocada a continuación. En cualquiera de los casos, todo lo recogido en las rejas normalmente es escurrido y compactado, mediante prensas hidráulicas o mecánicas, para facilitar su transporte en recipientes cerrados a una incineradora o a un vertedero.
2.1.2 Tamices Con los tamices se busca un proceso de eliminación de residuos sólidos más afinado que el que se logra usando rejas, ya que la separación libre entre barras de los tamices oscila entre 0,2 y 1,5 mm. Se busca, igualmente, un sistema sencillo autolimpiable, que permita la eliminación de arenas gruesas y hasta porcentajes del 30% de grasas y sobrenadantes. Existen dos tipos de tamices: •
Tamices Estáticos (figura 10). Normalmente son de limpieza hidráulica por ducha de agua que acelera la caída del fango retenido (el cual rueda sobre la superficie del tamiz debido a la energía cinética residual), evitándose así que se reseque y quede depositado sobre la superficie del tamiz, obturándolo.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 9.- Izq: Tamiz Estático de la EDAR de Alcanar (Tarragona). Fuente: Obras y Contratas Javier Guinovart y Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya). Drcha.:
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Tratamiento de aguas residuales Esquema de funcionamiento: El agua pasa a través del tamiz y es recogida por un colector, mientras que los sólidos son conducidos hacia la parte delantera y separados por un tornillo sin fin.
•
Tamices Rotativos (figura 11). En ellos la limpieza puede ser hidráulica o mecánica automatizada. Son muy efectivos para la eliminación de algas o en los casos en los que se quieren aprovechar los sólidos tamizados. Los tamices son mucho más eficaces que las rejas pero sus costes son más elevados (especialmente los rotativos) y, aunque requieren un escaso mantenimiento, éste debe ser realizado por personal especializado. Por estos motivos se adaptan sólo a instalaciones de una cierta importancia.
Figura 10.- Tamiz Rotativo. Esquema de funcionamiento de un tamiz rotativo. Fuente: elaboración propia.
2.2
Dilaceración
Algunas estaciones de depuración cuentan con unos mecanismos dilaceradores como sustitutos de las rejas o tras una reja grosera; normalmente, se trata de plantas depuradoras que reciben aguas que no contienen plásticos. El dilacerador (figuras 2.7 y 2.8) es un aparato que tritura los sólidos gruesos, en vez de separarlos del flujo. Para © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales realizar esta operación cuenta con unos discos cortantes o unas cuchillas que convierten estos sólidos en partículas de un tamaño menor y más homogéneo, de modo que no entorpecen el funcionamiento de las instalaciones posteriores (especialmente bombas). La ventaja de la sustitución de las rejas por un dilacerador radica en que se minimiza el problema de acumulación de los residuos sólidos, cuyos depósitos generan malos olores y atracción de ratas e insectos y que en zonas frías se pueden congelar dificultando el proceso. El inconveniente es que los sólidos dilacerados continúan en el interior del influente y sedimentan en etapas posteriores del tratamiento. La instalación del dilacerador puede conllevar dos problemas: •
Puede representar un colapso del proceso si hay un incremento no previsto del caudal del influente, o si hay algún problema técnico (un corte de tensión, una avería, etc.), por lo que normalmente se instala en paralelo con rejas.
•
Las unidades de tratamiento posteriores quedan recargadas de trabajo, ya que aumenta la cantidad de residuo a separar en el resto de etapas.
Existe diferencia de opiniones sobre la conveniencia o no de instalar dilaceradores. En general, salvo en algunas ocasiones, no se acostumbra a realizar esta trituración de residuos, ya que su posterior concentración y retirada encarecen el proceso; resulta más económico realizar un desbastado con rejas que sobredimensionar el resto de la instalación para poder asumir la carga contaminante adicional de un agua no cribada.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 11.- Aspecto externo de un dilacerador. Fuente: reseña bibliográfica nº 7.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 12.- Sección transversal de una instalación de dilaceración (de FMC de Chigaco Pump). Fuente: reseña bibliográfica nº 9.
2.3
Desarenado
El desarenador se utiliza para separar la arena arrastrada en suspensión por el influente. En el tratamiento de aguas residuales se catalogan como arena aquellas sustancias sólidas densas (diámetro mayor o igual a 0,2 mm y peso específico mayor o igual a 1,5 g/ml), no putrescibles y con una velocidad de sedimentación notablemente superior a la de los sólidos orgánicos putrescibles. Esta "arena" origina depósitos en canales y tuberías, abrasión y desgaste sobre los elementos mecánicos en movimiento y dificulta la eliminación y digestión de los lodos separados en los tanques de sedimentación (al aumentar su densidad). A pesar de estar concebido para eliminar la arena, el desarenador es capaz de retener otros materiales, como cáscaras de huevo, trozos de huesos, granos de café, residuos de comidas, etc. Los sedimentos retenidos en los desarenadores son recogidos, lavados y acarreados para su posterior incineración o transporte a vertedero. Existen dos tipos generales de desarenadores según el procedimiento utilizado en la separación: •
Separación natural por decantación: son los "Desarenadores de Flujo Horizontal".
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30
Tratamiento de aguas residuales •
Separador dinámico con procesos que utilizan la inyección de aire o efectos de separación centrífuga: son los "Desarenadores de Flujo Inducido".
2.3.1 Desarenador de flujo horizontal Es el tipo más frecuente de desarenador. Está constituido por un tanque o un conjunto de canales de sedimentación, diseñados de forma que favorezcan una velocidad de la corriente de agua inferior a los 20-30 cm/s ya que, de este modo, se produce la separación por gravedad de las partículas pesadas de un diámetro superior a 0,2 mm. La eficacia del desarenador depende fundamentalmente de su superficie horizontal y de la velocidad de caída de las partículas en suspensión, mientras que otros factores como la profundidad, la sección transversal del tanque y la velocidad horizontal de circulación tienen una importancia secundaria. El principal problema de los desarenadores de flujo horizontal, es que una parte de la materia orgánica se separa junto con la arena, produciéndose, al descomponerse, olores desagradables. Para minimizar este problema, hay que lavar las arenas que se han separado e incluir el agua de lavado dentro del proceso de tratamiento de aguas residuales. Otras desventajas, respecto de los desarenadores de flujo inducido, son: •
Mayor pérdida de carga (pérdida de presión).
•
Mayor superficie requerida para su implantación. Mayor coste de instalación.
•
Para mejorar el rendimiento de los desarenadores estáticos, se pueden introducir elementos mecánicos de ayuda; en esta idea se basa el funcionamiento de los desarenadores cuadrados o cubetas de desarenado. En este sistema se incorpora un agitador que remueve suavemente el fondo y un mecanismo de elevación de la arena, la cual es deslizada sobre una rampa para acabar depositándose en el fondo. El resultado es una arena más limpia y más seca que no precisa un lavado posterior.
2.3.2 Desarenador de flujo inducido
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Tratamiento de aguas residuales Dentro de este grupo, los más frecuentes son los desarenadores aireados (figura 14), con los que se obtiene un alto rendimiento de desarenación ya que permiten trabajar a caudales mayores. La circulación del agua a través del tanque se produce en forma de espiral, gracias a la inyección de aire y a un diseño especial de la entrada del agua residual; este movimiento en espiral hace que la longitud del desarenador pueda ser menor, con lo que se ahorra espacio. El aire inyectado, además de un papel motor, favorece, por su efecto de agitación, la separación de las materias orgánicas que pudieran quedar adheridas a las partículas de arena, obteniéndose de esta manera una arena bien lavada. La extracción de la arena, en un desarenador aireado, se realiza mecánicamente, bien sea por barrido hacia una fosa de recepción, de donde se bombea, o bien directamente por una bomba aspirante. Su gran desventaja respecto a los de flujo horizontal es su mayor consumo energético.
Figura 13.- Vista aérea de la EDAR de Granollers. Los tanques desarenadores aireados se encuentran en la zona central izquierda, y pueden identificarse por su forma rectangular y por la espuma que genera la inyección de aire. Fuente: catálogo de Cubiertas y de la Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya).
2.4
Desengrasado
El desengrasado consiste en la separación, en forma de espumas flotantes, de las grasas y aceites arrastrados por el agua residual. © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
32
Tratamiento de aguas residuales
Se considera que en las aguas residuales urbanas las grasas constituyen hasta un 28% de los sólidos en suspensión, creando numerosos problemas en el proceso de depuración, de entre los que destacan: •
Adhesión a aparatos, conductos o depósitos, dificultando la depuración.
•
Obstrucción de las rejillas finas.
•
Formación de una capa en la superficie de los decantadores que dificulta la sedimentación, al atraer hacia arriba pequeñas partículas de materia orgánica.
•
Dificulta la correcta aireación en la depuración por fangos activos.
•
Perturba el proceso de digestión de lodos.
Es muy frecuente que desarenado y desengrasado se realicen conjuntamente en una única instalación, caracterizándose esta realización conjunta de ambos procesos por: 1. Las velocidades de sedimentación de las arenas y de flotación de las partículas de grasa no se ven prácticamente modificadas por realizar los dos procesos en el mismo depósito, debido a la diferencia de densidad entre ambos tipos de partículas. Esta circunstancia permite obtener buenos resultados tanto en la sedimentación de las arenas como en la flotación de las grasas. 2. El aire comprimido, que suele ser añadido para facilitar la desemulsión y la flotación de las grasas, también ayuda a impedir la sedimentación de la materia sedimentable no arenosa (partículas de fango), por lo que la arena depositada en el fondo del desarenador es más limpia. 3. Las partículas de arena, al sedimentar, frenan las velocidades ascensionales de las partículas de grasa que, de esta manera, disponen de más tiempo para ponerse en contacto entre sí durante su recorrido hacia la superficie, incrementándose el rendimiento de la flotación. 4. Ahorro económico, pues se reduce el espacio total necesario y las obras de construcción. La grasa residual que puede quedar tras el desengrasado, se separa en las balsas de decantación, siendo retirada por medio de rasquetas superficiales. Las grasas retiradas se conducen a un depósito y de ahí se transportan para su recuperación o incineración. En plantas pequeñas se aconseja bombear periódicamente
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33
Tratamiento de aguas residuales las grasas al contenedor de recogida de las arenas, y así mezcladas se transportan al vertedero.
Figura 14.- Esquema de funcionamiento de un desarenador - desengrasador. Fuente: elaboración propia.
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34
Tratamiento de aguas residuales 2.5
Homogeneización
La situación más habitual es que la entrada de agua residual a la planta depuradora sea variable en el tiempo, tanto en lo que respecta a caudal como a carga contaminante. Estas desviaciones suelen ser tanto mayores cuanto más pequeña es la comunidad servida, pudiendo crear notables problemas de gestión en aquellas depuradoras no adecuadamente protegidas de los "golpes" de volumen y/o contaminación. Estas variaciones, especialmente las de carga, dificultan el correcto desarrollo de los tratamientos, ya sean de tipo químico-físico o de tipo biológico. Para solventar tales problemas se puede recurrir a la igualación de caudales y/o a la homogeneización de la concentración de los contaminantes. Las ventajas que aportan estos procesos son: 1. Limitación de las sobrecargas hidráulicas en los sedimentadores primarios y secundarios que, particularmente en el segundo caso, podrían comportar la "fuga" de la biomasa activa y una peor calidad del efluente. 2. Limitación de los golpes de carga orgánica en los procesos biológicos. 3. Posibilidad de alimentar de manera continuada los sistemas biológicos de depuración lo que mejora el rendimiento. 4. Posibilidad de obtener mejores prestaciones de los tratamientos químico-físicos, facilitando el control de la dosificación de reactivos y, mejorando la fiabilidad de los procesos. 5. A igualdad de rendimiento, reducción de las dimensiones de las varias secciones que constituyen la planta. 6. A igualdad de dimensión de las secciones, mejora de las prestaciones de las plantas infradimensionadas. 7. Disminución de los consumos energéticos debidos a la punta de carga hidráulica. En definitiva, se pueden resumir todas las ventajas enumeradas en una sola: optimización de las condiciones operativas de las fases siguientes. Sin embargo, en las pequeñas instalaciones de depuración donde únicamente se tratan influentes urbanos, la homogeneización es bastante rara ya que, en estos casos, los tratamientos biológicos previstos suelen ser lo suficientemente robustos como para garantizar efluentes aceptables a pesar de las fluctuaciones de carga contaminante. De hecho, la homogeneización como fase específica de un proceso de depuración de aguas,
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35
Tratamiento de aguas residuales es sólo adecuada para plantas de grandes dimensiones y con una presencia importante de influentes de origen industrial. Básicamente, se aplican dos tipos de técnicas de homogeneización: •
Homogeneización en Línea: todo el caudal de agua pasa por el tanque de homogeneización. Se consigue así una buena homogeneización y se amortiguan posibles variaciones de la composición de las aguas y del caudal entrante.
•
Homogeneización en Derivación o Paralelo: sólo la parte que supera el caudal medio diario pasa por el tanque de homogeneización. Este sistema es útil en los casos en los que se esperan variaciones importantes del caudal, pero no se amortiguan los posibles cambios de composición de las aguas.
Los tanques de homogeneización pueden ser muy variados: •
Balsas de homogeneización: se trata de una opción bastante frecuente ya que pueden contener grandes cantidades de agua y son de construcción sencilla (pueden consistir en un zanja en el suelo recubierta con material plástico).
•
Tanques de homogeneización metálicos: se utilizan en estaciones depuradoras pequeñas que reciben agua con variaciones muy pequeñas de caudal; la homogeneización se realiza con mecanismos agitadores.
•
Homogeneización con aireación: el sistema de aireación es el que garantiza el mezclado; este sistema, además, dificulta la formación de sedimentos, con lo que se evita la formación de fango y se inhiben las malolientes fermentaciones anaeróbicas.
En general, la homogeneización constituye el último de los pretratamientos. El tanque de homogeneización debe inserirse en la línea de tratamiento de la forma más económica posible, minimizando los costes de realización y la envergadura de las obras electromecánicas instaladas. Pueden desarrollar funciones de homogeneización de los contaminantes los tanques de aireación de fangos activos que, dimensionados sobre la base de bajas cargas orgánicas, tienen largos tiempos de retención hidráulica (no por casualidad se afirma que los tanques de fangos activos con aireación prolongada poseen una óptima capacidad de resistencia frente a los golpes de carga orgánica). Puntos a destacar
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Tratamiento de aguas residuales 1. El tratamiento previo tiene como objetivo separar las materias groseras, cuerpos gruesos y arenosos, que son arrastrados junto con el agua residual. 2. Cribado: Método físico de separación de sólidos por diferencia de luz de paso a través de rejas o tamices. Constituye un proceso de debastado. 3. Dilaceración: Consiste en la trituración mecánica de los sólidos groseros arrastrados por el agua residual. En algunas instalaciones se emplea en sustitución del cribado. 4. Desarenado: Operación encaminada a separar los sólidos en suspensión densos y no putrescibles que contenga el agua residual y cuya velocidad de sedimentación sea notablemente superior a la de los sólidos orgánicos putrescibles. 5. Desengrasado: consiste en la separación por flotación (proceso físico) de las grasas y aceites arrastrados por el agua residual. 6. Homogeneización: proceso destinado a igualar el volumen y/o la carga contaminantes de las aguas residuales que llegan a una planta depuradora.
3 Tratamiento primario El tratamiento primario tiene como objetivo la separación por medios físicos, habitualmente complementados con medios químicos, de los sólidos en suspensión sedimentables no retenidos en el tratamiento previo, así como de las sustancias flotantes como grasas, fibras, etc... Las operaciones unitarias normalmente utilizadas en el tratamiento primario son: •
Sedimentación o decantación.
•
Flotación.
•
Floculación.
También como tratamiento primario se considera la neutralización del pH ya que las aguas residuales, especialmente aquellas de origen industrial, es frecuente que sean ácidas o alcalinas.
3.1
Sedimentación
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37
Tratamiento de aguas residuales La mayor parte de las sustancias en suspensión y disolución en las aguas residuales no pueden retenerse, por razón de su finura o densidad, en las rejas y desarenadores, ni tampoco pueden separarse mediante flotación por ser más pesadas que el agua. Por ello, se recurre a la sedimentación (también llamada decantación) que es la separación de un sólido del seno de un líquido por efecto de la gravedad. La decantación se produce minimizando la velocidad de circulación de las aguas residuales, con lo que el régimen de circulación se vuelve cada vez menos turbulento y las partículas en suspensión se van depositando en el fondo del sedimentador. En los esquemas convencionales de tratamiento de un agua residual, la sedimentación es aplicable en dos posiciones distintas: Como tratamiento primario: la "Sedimentación Primaria" se realiza inmediatamente después de los pretratamientos con la finalidad de separar los sólidos en suspensión sedimentables que, en un agua residual, suponen entre el 50 y el 70% de los sólidos en suspensión totales. Esta operación también permite una rebaja de la carga de sustancias orgánicas que llegan a la fase biológica (tratamiento secundario), rebaja cifrable en una reducción de un 25 a un 35% de la DBO5. Esta circunstancia limita el dimensionado y los costes de gestión del tratamiento biológico, pero tiene la desventaja de producir un residuo (fango) muy putrescible que requiere un tratamiento de estabilización. Como tratamiento secundario: la "Sedimentación Secundaria" es, por el contrario, el necesario complemento de un tratamiento biológico. Es ésta, de hecho, la fase en la cual el
material
orgánico,
transformado
en
sedimentable
por
la
acción
de
los
microorganismos, se separa del agua.
3.1.1 Fundamento de la sedimentación La
sedimentación
es
un
proceso
físico
de
separación
por
gravedad,
que
fundamentalmente es función de la densidad del líquido (función de su temperatura), del tamaño, del peso específico y de la morfología de las partículas. Ejemplo: Tomamos un puñado de arcilla y lo introducimos dentro de un vaso alargado lleno de agua; agitamos la mezcla y esperamos unas horas. Observamos como las partículas de arcilla se van depositando en el fondo y como la zona superior del vaso ofrece un aspecto menos turbio que la zona intermedia. La arcilla está
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Tratamiento de aguas residuales sedimentando. Durante el proceso de sedimentación y de una forma empírica, pueden observarse las siguientes zonas en un líquido que sedimenta (figura 16): Zona de partículas discretas. En esta zona se da un proceso simple de decantación; es decir, se trata de la sedimentación libre de partículas, sin interacción entre ellas y a una velocidad constante de caída. Zona floculante. Conforme las partículas van sedimentando aumenta su concentración, por lo que comienzan a chocar entre ellas, aglomerándose por adsorción o coalescencia y originando flóculos. Los flóculos así formados se van agregando en su descenso, incrementando de esta manera su tamaño y con él su velocidad de sedimentación. Zona retardada. Se trata de un proceso de sedimentación de una suspensión bastante concentrada, en la que las partículas están tan próximas, aunque sin llegar a tocarse, que el agua que desplazan en su caída se opone al movimiento y frena su descenso. Este fenómeno hace que se denomine sedimentación impedida o retardada. Zona de compresión. Formada por los sólidos depositados en el fondo del tanque de sedimentación. En esta zona hay contacto físico entre las partículas, las cuales acaban formando una masa compacta que se va comprimiendo con la sedimentación.
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39
Tratamiento de aguas residuales
Figura 15.- Esquema de las zonas de sedimentación en una probeta. Fuente: reseña bibliográfica nº 9.
3.1.2 Tipos de sedimentadores o tanques de decantación Los sedimentadores o tanques de decantación son las unidades en las que se lleva a cabo el proceso de sedimentación. Se caracterizan por su gran tamaño, en relación al resto de unidades de la planta depuradora, y por sus puentes móviles. Después del proceso de sedimentación se obtienen dos productos: un agua clarificada y un decantado (lodos o fangos primarios). En ocasiones, y si las condiciones de vertido al cauce lo permiten, la sedimentación primaria puede ser el único tratamiento al que se someta el agua residual, pero lo normal es que forme parte de un proceso con otras operaciones unitarias y su función sea reducir la carga contaminante, mejorando el rendimiento y las condiciones de funcionamiento de los procesos posteriores. Los dos tipos de decantadores más habituales son:
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40
Tratamiento de aguas residuales 1. Tanques de Decantación Circulares. Sedimentadores de sección circular en los que el agua fluye del centro a la periferia (figura 17). 2. Tanques de Decantación Rectangulares. Sedimentadores de sección rectangular en los que el agua fluye horizontalmente de un extremo al otro del decantador (figura 18).
Tanques de decantación circulares Los tanques de decantación circular son los sedimentadores más extendidos. Su diámetro oscila entre 10 y 60 m y sus dispositivos más importantes son: •
La entrada del agua normalmente se realiza a través de una campana deflectora que la reparte de forma uniforme en las zona inferiores del decantador y, además, produce una importante pérdida de carga, evitándose con ello turbulencias que podrían afectar a todo el depósito y dificultar la sedimentación.
•
La salida de agua suele ser con vertederos o rebosaderos perimetrales de tipo dentado, protegidos con una pantalla deflectora que evita la salida de la capa superficial, la cual puede llevar espumas y sólidos sobrenadantes.
•
El sistema de barrido de fangos sedimentados se efectúa, en los decantadores de pequeño diámetro, mediante un eje de rasquetas de barrido de fondo que es accionado desde un eje central. En los grandes decantadores suele recurrirse a un puente giratorio de rasquetas de tracción periférica (la tracción es desde la periferia mediante un carro tractor) para descargar de esfuerzos el eje.
•
La poceta de recogida de los fangos barridos por las rasquetas puede ser o bien central o bien longitudinal intermedia si el decantador es grande (se reduce a la mitad el trayecto del fango en el fondo del decantador).
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 16.- Esquema de un tanque circular de sedimentación. Fuente: adaptado de reseña bibliográfica nº 15.
•
La purga de fangos puede hacerse por una tubería de fondo que los recoge de la poceta central y los conduce a otra adosada, o bien, aprovechando la presión hidroestática del fondo, se extrae a un nivel superior.
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Tratamiento de aguas residuales •
La retirada de grasas y sobrenadantes suele hacerse con una barredera superficial que recorre periféricamente el sedimentador y los recoge y vierte sobre la poceta.
Tanques de decantación rectangulares
Figura 17.- Esquema de un tanque rectangular de sedimentación. Fuente: elaboración propia a partir de la reseña bibliográfica nº 15. En los tanques de decantación rectangulares, los dispositivos más importantes son: •
Para la entrada del agua se suele emplear el tipo de entrada por vertederos, que la reparte uniformemente por las capas inferiores del decantador, con una mampara frontal para reducir la energía con la que entra el agua (pérdida de carga).
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Tratamiento de aguas residuales
•
Para la salida del agua suelen usarse el mismo tipo de rebosaderos dentados ya mencionados para los sedimentadores circulares, situados en la pared opuesta a la entrada del influente.
•
El barrido de fangos sedimentados se hace mediante rasquetas situadas sobre un puente, este puente puede ser de barrido longitudinal, el cual conducirá los fangos hasta unas pocetas situadas en el extremo de llegada del agua, o bien puede ser de barrido transversal, el cual conducirá los fangos hacia una poceta corrida a lo largo del decantador. Una alternativa al puente de rasquetas la constituyen las rasquetas arrastradas por cadena sin fin.
•
Las rasquetas, por tanto, o bien son varias situadas en el extremo del decantador o bien es una longitudinal corrida.
•
La purga de fangos se hace por sistemas similares a los descritos para los decantadores circulares; es decir, existen sistemas de salida de fondo y de salida a nivel superior.
•
La retirada de grasas y sobrenadantes suele llevarse a término por una barredera superficial que los arrastra hasta un canal en la pared de entrada.
Sistemas de drenaje de los sedimentos Los sedimentos generados en los tanques de sedimentación deben ser evacuados o drenados de la línea de depuración de aguas.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 18.- Sistemas de drenaje de sedimentos. Fuente: elaboración propia. Para realizar esta operación se pueden emplear varios sistemas, ayudados o no de algún medio mecánico (raspador, tornillo sin fin, etc.), tal como ilustra la figura 19.
3.2
Flotación
La flotación es un proceso físico de separación sólido-líquido fundamentado, al igual que la sedimentación, en la diferencia de densidades. Se ha visto que la sedimentación permite separar aquellas partículas que poseen una mayor densidad que la del fluido que las contiene, al predominar en ellas el efecto de la gravedad debido a su peso sobre las fuerzas de rozamiento y la fuerza de empuje del líquido (Ley de Arquímedes) que se oponen a su caída. La flotación, en cambio, permite separar las partículas de menor densidad que la del fluido, por ascenso de éstas hasta la superficie del fluido, ya que en este caso, las fuerzas que "tiran hacia arriba" (rozamiento y empuje del líquido) superan a la fuerza de la gravedad. El último de los procesos descritos es la Flotación Natural que, en el tratamiento de las aguas residuales, únicamente se emplea para eliminar los glóbulos de grasa o aceite (etapa de desengrasado). Frente a ésta, y para superar sus limitaciones, existe la Flotación Acelerada por introducción de finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida, a las que se adhieren partículas, subiendo hasta la superficie el conjunto partícula-burbuja. Esta adhesión es consecuencia de la aparición de una zona de presión
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Tratamiento de aguas residuales negativa en la parte inferior de la burbuja de aire en su ascenso a través del líquido, y es esta depresión la que capta y arrastra las partículas. La flotación acelerada posibilita el ascenso de partículas de densidad mayor que la del líquido, además de favorecer el ascenso de las partículas de densidad inferior al incrementar su velocidad ascensional. En el proceso de depuración de las aguas residuales la flotación puede emplearse con diferentes objetivos: • •
El ya citado de separación de grasas. Espesar los lechos originados por las partículas floculadas químicamente y que son de baja densidad (la floculación será el próximo proceso que se tratará en el presente capítulo).
•
Espesar los fangos biológicos en aquellos casos en los que sean difíciles de separar mediante sedimentación secundaria.
En cuanto a las ventajas que presenta la flotación frente a la sedimentación hay que mencionar como las más importantes: •
Menor inversión de implantación, pues se trata de un sistema compacto que ocupa poca superficie.
•
Permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta.
Frente a las ventajas enumeradas, la flotación presenta el inconveniente de que requiere para su desarrollo de muchos elementos mecánicos, tal y como puede observarse en la figura 3.5 (motores, válvula reductora, etc.), lo que provoca unos mayores costes de explotación al necesitar una mayor infraestructura de mantenimiento. En la actualidad se emplean cuatro sistemas diferentes para realizar la flotación: Diferentes tipos de separación por flotación
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Tratamiento de aguas residuales Flotación por disolución de aire. Flotación por inyección de aire. Flotación por vacío. Flotación en cámaras de tranquilización.
3.2.1 Flotación por disolución de aire En el sistema de flotación por disolución de aire, (figura 20) parte del caudal a tratar (que puede ser todo en el caso de instalaciones de pequeño tamaño), es mezclado con aire en un depósito de retención presurizado (bajo 4-5 kg/cm2 de presión) donde permanece durante algunos minutos; para dar tiempo a que el aire se disuelva una vez transcurridos estos minutos, se inyecta esta mezcla al líquido en tratamiento en el tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y se expanda en forma de pequeñas burbujas que arrastran las partículas en suspensión hacia la superficie de la cámara de flotación. En algunas instalaciones puede recircularse una parte del agua clarificada que se mezcla con la corriente principal sin presurizar, lo que provoca que el aire aún disuelto en el recirculado deje de estarlo y entre en contacto con las partículas sólidas a la entrada del tanque. Este sistema tiene como ventajas ser menos agresivo, minimizar la formación de emulsiones y tener que incorporar una menor cantidad de aire al influente. Las principales aplicaciones de la flotación por disolución de aire seco están en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 19.- Esquema de la operación de flotación por disolución de aire a la entrada. Fuente: elaboración propia.
3.2.2 Flotación por inyección de aire En el sistema de flotación por inyección de aire, el aire se inyecta directamente a la fase líquida en el tanque de flotación, por medio de difusores o turbinas sumergidas. Las burbujas de aire que se generan empleando este sistema son mucho mayores que las obtenidas en la flotación por disolución de aire, ya que su diámetro es de algunos milímetros. Este mayor diámetro provoca una velocidad ascensional más alta y, por tanto, un menor tiempo de recorrido r ecorrido en el tanque y un menor me nor efecto sobre la suspensión, todo lo cual origina un bajo rendimiento a la hora de conseguir que los sólidos floten. La flotación por inyección de aire únicamente se emplea, por los motivos que se acaban de exponer, para mejorar los procesos de flotación natural en la separación de aceites, grasas, etc. y en el tratamiento de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas en las que dé buenos resultados.
3.2.3 Flotación por vacío En el sistema de flotación por vacío se satura de aire el agua residual, ya sea directamente en el tanque de flotación o permitiendo la entrada del aire en el conducto © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales de aspiración de la bomba de vehiculación de la línea de alimentación. Con posterioridad, se aplica un vacío parcial en la superficie de la masa líquida, para lo cual el tanque de flotación debe estar cerrado. Esta operación provoca que el aire disuelto abandone la solución en forma de microburbujas las cuales arrastran en su ascenso a las partículas sólidas que a ellas se adhieren hasta la superficie, donde son barridas por un sistema de rascado superficial hacia la periferia del tanque, punto desde el cual se extraen de la instalación por bombeo, también en condiciones de vacío parcial. Al trabajar en el sistema de flotación por vacío con burbujas de menor tamaño que en el caso de la flotación por disolución de aire, su rendimiento es mayor. Para facilitar el proceso de flotación es frecuente el uso de productos químicos coagulantes o sílice activada, que se introducen en la línea de alimentación previo a la inyección de aire, y que actúan creando, por agregación de partículas sólidas, una superficie o una estructura que permite absorber o atrapar fácilmente las burbujas de aire.
3.2.4 Separadores o cámaras de tranquilización Los separadores o cámaras de tranquilización se utilizan en aquellos casos en los que interesa separar hidrocarburos o aceites del efluente. Estos equipos trabajan en ausencia de aire y utilizan la diferencia de viscosidad entre el agua y los hidrocarburos al deslizarse sobre una superficie. Está constituido por un conjunto de placas paralelas e inclinadas, por donde se hace circular el agua de arriba a abajo, de modo que los hidrocarburos quedan separados en la parte superior de las placas y el agua queda en la parte inferior.
3.3
Floculación
La floculación es un proceso que permite la sedimentación de las partículas en suspensión no sedimentables, es decir, de los coloides. Se denominan disoluciones coloidales a aquellas cuya fase dispersa está formada por macromoléculas o micelas (agrupación de pequeñas moléculas con un tamaño entre 50 y 2000 Angstrom). La sedimentación se produce provocando la desestabilización de las cargas eléctricas superficiales de las micelas, normalmente mediante la dosificación de sales metálicas (de
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Tratamiento de aguas residuales calcio, hierro, aluminio), lo que posibilita el contacto entre ellas y su consecuente aglomeración, formando flóculos con masa suficiente para sedimentar.
Figura 20.- Esquema de un floculador. Fuente: reseña bibliográfica nº 9. La floculación se puede aplicar con diferentes objetivos en el tratamiento de aguas residuales: •
Disminuir el contenido de los sólidos en suspensión y de la DBO a la salida del decantador primario (mejora el rendimiento de la decantación).
•
Acondicionar el agua residual que contenga vertidos industriales.
•
Mejorar la eficacia de los decantadores secundarios, especialmente cuando se trata del proceso de fangos activos. Teoría de la doble capa Se ha comprobado que las impurezas del agua causantes de la turbidez y del color (sílice coloidal, arcillas, cienos, partículas orgánicas, etc.) presentan características coloidales con carga negativa en aguas de pH próximo a 7, ya sea por adsorción preferente de aniones, por la ionización de algún componente (por ejemplo, ionización de grupos amino y carboxilo de las proteínas) o por sustitución isomorfa (por ejemplo, partículas de arcilla en las que iones de sílice de su estructura son sustituidos por iones de la solución como el aluminio). Esta
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Tratamiento de aguas residuales situación produce que se adhieran iones positivos a la superficie de estos coloides, aunque en número menor de cargas, que quedan fuertemente retenidos (por fuerzas electroestáticas y de Van der Waals) y originan una capa fina de iones que se desplaza con la partícula. Alrededor de esta capa fina se forma una segunda capa, no fija y más difusa, en la que el potencial eléctrico inducido por la carga resultante de la partícula va descendiendo hasta caer en el seno del fluido ("Teoría de la Doble Capa"). Esta teoría explica que los coloides no sean por sí solos sedimentables, ya que el potencial eléctrico de la micela les da estabilidad. De no ser por este potencial, las micelas se agregarían como consecuencia de las colisiones aleatorias entre ellas en su movimiento errático ("Movimiento Browniano") en el seno de la fase dispersante. Este potencial eléctrico, denominado "Potencial Zeta", provoca una repulsión eléctrica entre coloides del mismo signo constituyendo una barrera energética (fuerzas de repulsión entre cargas eléctricas de igual signo) que se debe superar para que puedan formar flóculos. Para lograr la desestabilización de la disolución coloidal se debe vencer el efecto de la carga eléctrica, lo cual puede hacerse: •
Por agitación mecánica (proceso físico).
•
Por adición de sustancias químicas coagulantes (proceso químico).
3.3.1 Proceso físico En muchas ocasiones, las aguas residuales urbanas presentan una concentración tan elevada de sólidos en suspensión que basta con agitar para conseguir la floculación. En este caso, la floculación se puede realizar en: •
Tanques especialmente proyectados para ello.
•
Tanques que combinan las operaciones de floculación y decantación.
Las paletas, para la agitación mecánica de estos tanques, normalmente trabajan a una velocidad tangencial, en sus extremos, de 0,7-0,8 m/s y un tiempo de contacto de unos 15 minutos.
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Tratamiento de aguas residuales
Este sistema no suele incluirse en las instalaciones típicas de tratamiento.
3.3.2 Proceso químico Las aguas residuales industriales presentan composiciones muy variables. En algunos casos, el agua contiene un constituyente capaz de flocular por simple agitación o que lo hace mediante la adición de un floculante o coadyuvante de floculación (polielectrolitos); otras veces, es necesario utilizar un coagulante que permita que los flóculos puedan ser precipitados (Precipitación Química como ayuda de la floculación). La Precipitación Química es un proceso que se lleva a cabo mediante la adición de sustancias químicas que modifican el estado físico de los sólidos disueltos y en suspensión, de modo que puedan separarse por sedimentación. La precipitación química se utiliza normalmente para eliminar los sólidos en suspensión (permite eliminar hasta el 80-90% de la materia total suspendida, frente al 50-70% de la sedimentación normal), y para rebajar la DBO (puede lograrse rebajar entre un 40 y un 70%).
Figura 21.- Esquema del proceso de floculación-coagulación. Desde un punto de vista teórico primero tiene lugar la floculación y posteriormente la coagulación; en la práctica, ambos procesos se producen simultánemente. Fuente: elaboración propia.
Coagulación La coagulación es un proceso químico en tres etapas: © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales
1. Desestabilización de la estructura coloidal mediante la neutralización de las cargas negativas de los coloides con el ión coagulante. En ocasiones el reactivo coagulante no consigue reducir el Potencial Zeta hasta valores próximos a cero, por lo cual es preciso introducir otros compuestos denominados coadyuvantes o agentes auxiliares de coagulación que facilitan el proceso, bien ayudando a neutralizar el potencial Z, bien modificando el pH del agua. 2. Formación, por el coagulante, de flóculos de óxidos hidratados coloidales con carga positiva, que atraen a los contaminantes de carga negativa del agua. 3. Adsorción superficial de estos contaminantes por los flóculos del coagulante. Entre los coagulantes, los de uso más extendido son: •
Sulfato de Alúmina: Al2(SO4)3.14H2O.
•
Sulfato Ferroso: FeSO4.7H2O.
•
Sulfato Férrico: Fe2(SO4)3.
•
Cloruro Férrico: FeCl3.
Y en menor medida: •
Aluminato Sódico: NaAlO2.
•
Cloruro de Aluminio: AlCl3.
Y entre los coadyuvantes o agentes auxiliares de coagulación destacan: •
Aquellos que modifican el pH del agua, como la cal, el carbonato de sosa y la sosa caústica.
•
Aquellos que neutralizan las cargas eléctricas de los coloides como el sulfato de magnesio (MgSO4).
•
Aquellos que actúan como material de soporte (núcleos de cristalización) y medio adsorbente, facilitando la aglomeración de flóculos, como arcillas, sílice activa y carbón activo. En ocasiones se recirculan parte de los flóculos formados para que actúen como coadyuvantes-nucleadores.
Sulfato de Alúmina
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Tratamiento de aguas residuales Cuando se adiciona sulfato de alúmina a un agua residual que contiene alcalinidad en forma de bicarbonato la reacción es:
El hidróxido de aluminio insoluble es un flóculo gelatinoso que sedimenta lentamente en el agua residual, arrastrando consigo la materia suspendida. Sulfato Ferroso En la mayoría de los casos no se puede emplear el sulfato ferroso como agente precipitante individual, sino que se añade junto a cal apagada (Ca(OH)2) como coadyuvante para formar un precipitado según las reacciones:
A continuación, el hidróxido de hierro II (Fe(OH)2) se oxida a hidróxido de hierro III (Fe(OH)3), la forma final deseada, gracias al oxígeno disuelto en el agua:
El hidróxido de hierro III es insoluble y forma un flóculo gelatinoso y voluminoso. Sulfato Férrico Normalmente también se emplea con cal apagada como coadyuvante:
Su adición al agua residual se realiza tanto en seco como en solución. Cloruro Férrico y Cal En este caso se forma, igualmente, hidróxido de hierro III como compuesto insoluble:
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Tratamiento de aguas residuales
3.3.3 Polielectrolitos Normalmente son polímeros orgánicos sintéticos, solubles mediante grupos funcionales que se disocian en el agua dando iones de carga y peso molecular elevados, según la siguiente clasificación: •
Polielectrolitos aniónicos (caboxílicos, sulfónicos, fosfóricos, etc.).
•
Polielectrolitos catiónicos (aminas cuaternarias, fosfoaminas, sulfaminas, etc.).
•
Polielectrolitos no iónicos (polialcoholes, poliéteres, poliamidas, etc.).
La actuación de los polielectrolitos puede ser por: •
Desestabilización del coloide, rebajando su carga (polielectrolitos catiónicos), lo que permite su coagulación.
•
Formación de puentes entre coloides absorbidos por el polielectrolito, en este caso aniónico o no iónico y, entrelazado entre polielectrolitos, formándose de esta forma flóculos de tamaño decantable.
•
Acción mixta de coagulación-formación de puentes mediante el uso de polielectrolitos catiónicos de alto peso molecular.
El uso de los aditivos que se acaban de comentar produce una apreciable mejora en el rendimiento del tratamiento primario: Reducción de
Sin Aditivos
Con Aditivos
Sólidos en suspensión
50-70%
65-85%
DBO5
25-40%
60-80%
Contaminantes:
En algunas estaciones de depuración de aguas, la floculación se realiza en los mismos equipos donde se realiza la sedimentación, adicionando previamente el floculante en las conducciones; de todos modos lo más común es que se utilicen unidades específicas para la floculación. Como norma general, el equipo de floculación o floculador está formado por un tanque de hormigón rectangular y por un agitador. La función del agitador es la de poner en
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Tratamiento de aguas residuales contacto las partículas de modo que se facilite su aglomeración, pero manteniendo una velocidad lo suficientemente baja como para evitar que las partículas se vuelvan a separar por un esfuerzo de cizalladura. Otro sistema de agitación es por inyección de aire, siendo esta opción más apropiada en los casos en los que se persiga una agitación ligera.
Figura 22.- Vista de los tanques de floculación de la EDAR de Granollers (Barcelona). Fuente: Junta de Sanejament. Generalitat de Catalunya. Justo antes del tanque de floculación, puede situarse también un tanque adosado de hormigón de pequeño tamaño, en el que se efectúa el mezclado de las sustancias coagulantes con el agua mediante una potente agitación. Así se consigue un alto grado de contacto con los coagulantes. Una vez realizada la mezcla en este tanque, se adiciona en el tanque de floculación un floculante, con una agitación menos vigorosa, de modo que el crecimiento del flóculo no se vea afectado por el esfuerzo de cizalladura. 3.4
Neutralización
Las aguas procedentes de procesos industriales suelen contener productos ácidos o alcalinos que deben ser neutralizados en alguno de los siguientes casos: •
Antes de la descarga del agua a un medio receptor, ya que la vida acuática es muy sensible a variaciones de pH fuera de un intervalo cercano a la neutralidad.
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Tratamiento de aguas residuales •
Antes de la descarga de estas aguas residuales industriales al alcantarillado, ya que es más económico esto que neutralizar los mayores volúmenes de las aguas residuales mixtas (domésticas + industriales).
•
Antes de la realización de los tratamientos químicos o biológicos, tanto para favorecer su desarrollo (por ejemplo, en el tratamiento biológico, el pH deberá estar entre 6,5-8,5 para asegurar una óptima actividad microbiológica) como para evitar daños a las instalaciones.
El proceso de neutralización obedece a la reacción:
Este proceso se suele realizar utilizando, según sea el agua básica o ácida, ácido sulfúrico (ácido) o lechada de cal (base), respectivamente.
Figura 23.- Esquema de funcionamiento de dos tipos de neutralizadores. (A): Neutralizador en lecho de carbonato cálcico. (B): Neutralizador con dosificación automatizada. Fuente: elaboración propia. En sustitución de la lechada de cal, que es una suspensión de cal apagada (Ca(OH)2)m, en algunas ocasiones se utiliza carbonato sódico o hidróxido sódico (NaOH), aunque su precio es más elevado, a fin de disminuir la producción de lodos. Por otra parte, en la reacción: Ácido + Base
→ Sal
+ Agua, hay que tener en cuenta tres
puntos:
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Tratamiento de aguas residuales
•
Pueden desprenderse gases durante la reacción (por ejemplo, cuando se utilizan carbonatos como bases).
•
La reacción puede generar calor (reacción exotérmica).
•
La sal formada puede ser insoluble, por lo que tendrá que ser retirada. Proceso de Obtención de la Lechada de Cal La cal o cal viva (CaO) se obtiene tras calefacción de rocas cálcicas (CaCO3) según: CaCO3 ≡ CaO + ↑ CO2 Como que el CO2 es arrastrado por el aire que circula en el interior del horno, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, formándose cal viva (CaO). Si no controlásemos la temperatura del proceso y ésta fuese excesiva, se formaría cal muerta (CaSiO3) como producto resultante de la descomposición de las arenas que acompañan a las rocas cálcicas. La cal viva, al reaccionar con el agua, produce cal apagada o hidróxido cálcico (Ca(OH)2) según la reacción: CaO + H2O → Ca(OH)2 La cal apagada es muy poco soluble en agua, lo que provoca que tenga un aspecto lechoso que hace que se la conozca como lechada de cal. Si la lechada de cal se deja sedimentar, se acaba separando la fase sólida (cal apagada) de la fase líquida, conocida como agua de cal.
La neutralización debe realizarse de manera precisa. En el caso de sistemas automatizados de medida y corrección del pH, no es costoso controlar el sistema de dosificación, pero se necesita una manutención apurada para evitar, en el caso de un mal funcionamiento, la generación de efectos negativos opuestos a los que se pretendían originalmente. Puntos a destacar
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Tratamiento de aguas residuales 1. El tratamiento primario abarca una serie de procesos encaminados a separar los sólidos en suspensión sedimentables no retenidos en el tratamiento previo, junto con las sustancias flotantes. 2. Sedimentación: Proceso físico de separación por gravedad de aquellos sólidos cuya densidad sea mayor que la del fluido que los contiene. Este tipo de sólidos constituye la mayor parte de los sólidos en suspensión de un agua residual y una parte significativa (25-35%) de las sustancias contenidas en la misma. 3. Flotación: Proceso físico de separación sólido-líquido, que permite separar aquellas partículas de menor densidad que la del fluido que las contiene. Esta operación se emplea para separar grasas o para espesar los fangos biológicos producidos en los tratamientos secundarios. 4. Floculación: Mediante esta operación se consigue la sedimentación de partículas en suspensión coloidales no sedimentables. Con ello se mejora la separación de sólidos en suspensión y la reducción de la DBO que se obtiene del tratamiento primario.
4 Tratamiento secundario El tratamiento secundario tiene como objetivo la eliminación de la materia orgánica biodegradable no sedimentable (materia orgánica finamente dividida y disuelta en el agua residual), junto a otros varios contaminantes. Básicamente, consiste en provocar el crecimiento de microorganismos que asimilan la materia orgánica, los cuales se reproducen y originan nuevos microorganismos insolubles que después son separados del flujo tratado (y con ellos varios contaminantes) como un fango destinado a una digestión definitiva o a la reutilización, directa o indirecta, como enmienda del terreno. De hecho, se trata de una aplicación controlada de los sistemas naturales de autodepuración de las aguas, por lo que a este tipo de tratamiento se le llama tratamiento biológico. Los tratamientos secundarios pueden subdividirse en tres categorías: •
Tratamientos biológicos de tipo natural: son aquellos tratamientos secundarios de agua cuyos requerimientos mecánicos y de instalaciones son mínimos.
•
Tratamientos biológicos de instalación: son aquellos tratamientos secundarios de agua que conllevan unos equipos de operación y que requieren de unas instalaciones adecuadas.
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Tratamiento de aguas residuales •
Tratamientos de separación de sólidos suspendidos de naturaleza biológica: son aquellos tratamientos que se aplican para el procesado de los residuos obtenidos en la depuración de las aguas residuales.
Existe otra posible subdivisión de los tratamientos biológicos del agua residual: •
Sistemas Aerobios. Los microorganismos obtienen su energía (catabolismo) oxidando sustancias, predominantemente orgánicas, en presencia de oxígeno.
•
Sistemas Anaerobios. En este caso la oxidación de la materia orgánica se realiza en ausencia de oxígeno.
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Tratamiento de aguas residuales Figura 24.- Clasificación de los tratamientos secundarios de aguas y de los residuos sólidos generados en el tratamiento de aguas. Fuente: elaboración propia Los sistemas más extendidos son los aerobios porque depuran más rápidamente el agua residual. Esto es así debido a que el rendimiento energético que obtienen los microoganismos en el proceso bioquímico de oxidación anaeróbica es más bajo que el que se logra por el proceso aerobio; por ello, la tasa de reproducción de las bacterias anaeróbicas, y por extensión la masa celular originada, es inferior, lo que se traduce en una menor velocidad de tratamiento del agua residual. Además, la puesta en marcha de los sistemas anaerobios es muy lenta y delicada (es difícil eliminar todo el oxígeno, resulta complicado lograr el muy bajo Potencial Redox requerido, etc.) y los efluentes que se obtienen deben someterse a un post-tratamiento que acabe de degradar la materia orgánica presente y también conseguir la denitrificación cuando sea necesaria. El sistema aerobio presenta, sin embargo, los inconvenientes de producir una gran cantidad de fangos no estabilizados y tener un mayor coste energético (la incorporación de oxígeno al agua residual representa un consumo energético). El sistema anaerobio genera poco fango y requiere de un mínimo aporte de energía (costes de operación bajos) y de él es posible obtener un subproducto como el metano (CH4) útil como fuente energética y que es el principal componente del biogás. Proceso Aerobio
Proceso Anaerobio
Necesario aporte de Oxígeno.
Costes de operación bajos.
Límite en la carga que puede tratar.
Capacidad para altas cargas orgánicas e hidráulicas.
Gran producción de fangos no
Pequeña producción de fangos.
estabilizados. Permite la nitrificación simultánea.
Necesita de post-tratamientos.
Mayor rendimiento de depuración.
Puesta en marcha muy lenta y delicada.
Tabla 3.- Comparación de los procesos aerobios y anaerobios aplicados en el tratamiento secundario. Los tratamientos anaerobios se emplean casi exclusivamente cuando se tiene una muy alta carga contaminante, como son los casos de fangos procedentes de un sistema © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales aerobio, de purines, etc., en que el influente es una masa homogénea en la que no se puede distinguir entre fase líquida y fase sólida. En estas situaciones no son aplicables los sistemas aerobios por la inmensa cantidad de oxígeno que se debería aportar para poder oxidar la carga orgánica. Además, el hecho de deber estabilizar los fangos resultantes de los tratamientos aerobios supone un incremento del coste añadido de éstos.
4.1
Principios de la depuración biológica
La depuración biológica es consecuencia de un fenómeno físico-biológico (la biofloculación) y de un fenómeno exclusivamente biológico (el metabolismo bacteriano). •
La biofloculación es el fenómeno mediante el cual se forman los flóculos de materia (que después son separados con los fangos) en el seno del agua a tratar. El componente físico de la biofloculación es la turbulencia que favorece el encuentro entre partículas "no vivas" o entre colonias de bacterias, mientras que el componente biológico es un no bien conocido efecto de floculación (adsorción de coloides) favorecido por productos del metabolismo de los microorganismos, primordialmente polisacáridos, que pueblan los mismos flóculos, y que actúan de forma análoga a los polielectrolitos. La biofloculación no origina ninguna variación química en los contaminantes sino sólo un paso de la forma suspendida no sedimentable a la forma suspendida sedimentable.
•
El metabolismo bacteriano es un conjunto de reacciones bioquímicas en las que se emplean compuestos contaminantes solubles para obtener (catabolismo) o para producir biomasa bacteriana (anabolismo):
Catabolismo:
Anabolismo:
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energía
Tratamiento de aguas residuales
Es decir, el metabolismo bacteriano permite separar sustancias solubles o fácilmente solubilizables en forma de gases que salen del sistema acuoso, en el caso del catabolismo, o en forma de nueva biomasa de bacterias que se adhieren a los flóculos, en el caso del anabolismo.
Balance de Carbono
Balance de Energía
Metabolismo bacteriano en condiciones anaerobias
Metabolismo bacteriano en condiciones aerobias
5% del C pasa a biomasa
50% del C pasa a biomasa.
95% del C pasa a biogás.
50% del C pasa a CO2.
5-7% de la energía pasa a las células
60% de la energía pasa a las células
3-5% de la energía se pierde.
40% de la energía se pierde.
90% se recupera en biogás.
Tabla 4.- Balance de materia (concretamente de carbono) y de energía en los procesos de degradación de la materia orgánica a través de vías aerobias (con presencia de oxígeno) y anaerobias (ausencia de oxígeno).
4.1.1 Microflora predominante en el tratamiento biológico Son varios los microorganismos que participan en el tratamiento biológico de las aguas residuales: 1. Microorganismos Primarios. Constituidos
por
las
bacterias
(aerobias,
anaerobias y facultativas) y las algas unicelulares; estos microorganismos son capaces de metabolizar la mayoría de materiales orgánicos. 2. Algas Fotosintéticas. Las algas fotosintéticas no consumen directamente la materia orgánica, pero consumen CO2, amoníaco y fosfatos para realizar la fotosíntesis, con lo que ayudan a la permanencia de las condiciones aerobias (presencia de oxígeno). 3. Hongos y Algas Multicelulares no Fotosintéticos. Los hongos pueden metabolizar la mayoría de los compuestos orgánicos. Si bien en condiciones óptimas no pueden competir con las bacterias, sí que pueden llegar a ser
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Tratamiento de aguas residuales predominantes en los influentes que poseen un alto contenido en carbohidratos en condiciones de pH bajo (inferior a 6) y déficit de nitrógeno o de oxígeno. 4. Animales Microscópicos. Estos animales necesitan más materia orgánica que la que se encuentra en las aguas, por lo que también se alimentan con bacterias; esta característica hace que se utilicen para separar el exceso de bacterias, contribuyendo a la clarificación de las aguas. Sólo se encuentran en aguas muy limpias. Para realizar el tratamiento biológico no se precisa inocular cultivos especialmente diseñados para estos procesos, ya que se pueden obtener estos organismos aislándolos directamente de los fangos producidos por este mismo tratamiento. De hecho, si los fangos no tienen en un principio la mezcla ideal o la cantidad óptima de organismos, la selección natural hace que después de varios ciclos se vayan ajustando las poblaciones, de modo que los microorganismos necesarios para el tratamiento biológico acaban dominado el medio, mientras que los demás desaparecen. El citado autoajuste se realiza en función de las características químicas de los compuestos presentes en el influente. Así una relativamente alta concentración de proteínas favorece el predominio de Alcaligenes, Flavobacterium y Bacillus; mientras que un elevado contenido en carbohidratos favorece el crecimiento de Pseudomonas; además, una concentración alta de oxígeno disuelto y baja de sustancias orgánicas favorece el crecimiento de Nitrosomonas y Nitrobacter. La presencia de algas y hongos debe considerarse como accidental, y no están comprendidos en el ciclo tecnológico-biológico del proceso. Las algas no originan daños relevantes pero se acumulan en la parte superficial de los reactores biológicos y deben eliminarse. Sin embargo, los hongos pueden influir negativamente sobre la microbiología del proceso porque originan formas filamentosas que obstaculizan la formación de flóculos y, en general, empeoran las características de sedimentabilidad.
4.2
Tratamientos biológicos de tipo natural
Todos ellos presentan una óptima resistencia a los golpes de carga hidráulica y orgánica. Sin embargo, tienen como inconvenientes el que requieren de mucha superficie y que, en
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Tratamiento de aguas residuales algunos casos, su rendimiento depurativo está influenciado por las condiciones climáticas. Actualmente, los dos tratamientos biológicos naturales que se emplean son: •
Lagunas aireadas o de aireación.
•
Balsas de estabilización.
4.2.1 Lagunas de aireación Las lagunas aireadas son un sistema aerobio de mezcla completa (características homogéneas en todo el volumen de la laguna), o próximo a ella, que se lleva a término en un depósito poco profundo excavado en el terreno que hace las veces de reactor. El oxígeno es suministrado, en la inmensa mayoría de los casos, mediante ventiladores de superficie rápidos de los que se distribuyen 2-3 en la laguna (son hélices con un motor encima, instaladas en el centro de un flotador circular que giran a entre 750 y 1.500 rpm. figura 4.2). Las necesidades de oxígeno del sistema de lagunas aireadas, se cifran entre 0,7 y 1,4 veces la DBO5 que se quiera eliminar. Entre las ventajas del sistema de aireación descrito destacan su fácil instalación y su flexibilidad de utilización (cambio rápido de un aparato por otro). Entre los inconvenientes, se puede mencionar su bajo aporte específico de oxígeno disuelto por unidad de energía eléctrica consumida (del orden de 1 kgO2/kW·h) y el que la alta velocidad de giro "maltrata" los flóculos de los fangos, aunque esto último no es un problema muy serio porque normalmente a los efluentes de lagunas aireadas no se les exige una garantía muy restrictiva en cuanto a las materias en suspensión. Otro de los aspectos a destacar de las lagunas aireadas, es su alto tiempo de retención hidráulica (definible como el tiempo medio de permanencia del agua en la laguna) que se sitúa en unos 10 días, circunstancia que permite disponer de una elevada concentración de bacterias, ya que se asegura que la velocidad de evacuación de microorganismos (que viene limitada por el tiempo de retención hidráulica) es inferior a su velocidad de reproducción.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 25.- Detalle del ventilador de superficie en una laguna aireada. Fuente: catálogo de Sernagiotto. La alta concentración de bacterias y el elevado tiempo de retención hidráulica garantiza la eficacia de este sistema de depuración, aunque también debe destacarse que esta eficacia está muy afectada por las variaciones estacionales de temperatura. Finalmente, indicar que las lagunas aireadas pueden constituirse con o sin recirculación de biomasa desde el sedimentador, aunque la segunda opción es la situación más común.
4.2.2 Lagunas o estanques de estabilización Las lagunas de estabilización son grandes embalses donde la carga orgánica del influente es depurada por la acción de microalgas y bacterias saprófitas, principalmente. Este tipo de tratamiento constituye una buena solución, por su economía de realización y de gestión, para pequeñas comunidades de clima cálido o templado (la temperatura tiene una notable influencia sobre la cinética del proceso). De hecho, son raras las aplicaciones de lagunas de estabilización para grandes plantas de tratamiento y/o en clima frío. También es aplicable sobre aguas residuales industriales, a condición de que éstas posean una significativa presencia de sustancias orgánicas y no contengan sustancias que inhiban la actividad bacteriana. Entre las características de las lagunas de estabilización destacan:
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Tratamiento de aguas residuales •
Permiten un aceptable nivel depurativo.
• •
Presentan una cierta flexibilidad frente a las variaciones de carga contaminante. Permiten una fácil separación y digestión de los fangos.
•
No hay incorporación artificial de oxígeno, sino que éste procede del aire atmosférico.
Pero sin duda, el aspecto que mejor define a estos estanques, y que simultáneamente es su mayor inconveniente, es la gran superficie que ocupan, hecho que lleva a definir la carga (por unidad de superficie y tiempo) que se puede tratar con ellos en kgDBO5/ha.día (obsérvese que se trabaja con hectáreas en vez de con m2).
Figura 26.- Medición de pH en una laguna primaria ubicada en el campus de la Universidad de Piura (Perú). El sistema de d e lagunas de estabilización está constituido por una batería de dos lagunas, una anaeróbica conectada en serie con una facultativa. La forma constructiva más habitual es la rectangular, que permite un rendimiento depurativo similar al de la circular y es más simple de realizar. La alimentación del influente se debe realizar en un punto lo más lejano posible de la salida del efluente para no afectar negativamente el nivel de depuración, además la entrada debe hacerse a baja velocidad y preferiblemente con largos difusores. Uno de los principales factores negativos de un estanque de estabilización es el crecimiento de algas por la radiación solar, que en climas cálidos es bastante intensa. La elevada concentración de algas determina una disminución en la eficacia del tratamiento, en particular en lo que hace referencia a la separación de sólidos suspendidos.
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Tratamiento de aguas residuales Otro de los problemas que presenta este sistema es la acumulación de fangos dentro del mismo estanque, lo que reduce su volumen útil y limita su eficacia, además de poder originar malos olores al desarrollarse en ellos procesos anaerobios. La separación del sedimento fangoso del fondo del estanque se realiza, por término medio, cada 10 años (en el caso de los anaerobios es a los 5-10 años) y tras su vaciado, aunque en algunos casos se lleva a cabo mediante pequeñas dragas o con bombas y sin vaciar el estanque. El fango obtenido puede reutilizarse en agricultura si se está en una zona rural, dando buenos resultados por las características químico-biológicas que presenta.
Clasificación de las lagunas de estabilización Se pueden establecer tres tipos de clasificación: en función del contenido en oxígeno, según el lugar ocupado en relación a otros procesos y, finalmente, de acuerdo a la secuencia de las unidades. De acuerdo con el contenido de oxígeno •
Lagunas aeróbicas. aeróbicas. En ellas predominan los procesos aeróbicos (presencia de oxígeno).
•
Lagunas anaeróbicas. Fundamentalmente anaeróbicas. Fundamentalmente tienen lugar los procesos anaeróbicos
•
(ausencia de oxígeno). Lagunas facultativas. facultativas. Predominan tanto los procesos aeróbicos como los
•
anaeróbicos. Lagunas aireadas. En aireadas. En ellas, el oxígeno es suministrado artificialmente, mediante aireación mecánica.
De acuerdo al lugar que ocupan en relación a otros procesos
•
Lagunas primarias. Reciben primarias. Reciben aguas residuales crudas. Lagunas secundarias. Reciben secundarias. Reciben efluentes de otros procesos de tratamiento.
•
Lagunas de maduración. maduración. Su propósito fundamental es reducir el número de
•
microorganismos indicadores. De acuerdo a la secuencia de las unidades
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Tratamiento de aguas residuales •
Lagunas en serie. serie. Dependen de la topografía del terreno y el nivel de calidad
•
requerido en el efluente del sistema. Lagunas en paralelo. paralelo. Dependen de las etapas de implementación de las unidades y topografía del terreno, y las condiciones de operación y mantenimiento de la instalación.
Figura 27.- Esquema de dos baterías de lagunas de estabilización en serie, conectadas en paralelo.
Características y aplicación de las lagunas de estabilización Los distintos tipos de lagunas de estabilización difieren esencialmente en el proceso biológico particular que en ellos se desarrolla y que es función de la profundidad que tengan. Así se distinguen: a) Lagunas aeróbicas o de alta producción de biomasa. biomasa. Se caracterizan por tener una profundidad muy reducida (entre 0,3 y 0,5 m.), lo que permite la penetración de la radiación solar hasta el fondo, manteniéndose las condiciones aeróbicas en casi todos los niveles de la masa de agua. Trabajan con baja carga (85-170 kgDBO5/ha.d), con un tiempo de retención hidráulica de 4-6 días y permiten una reducción del 80-95% de la DBO5. Estas condiciones estimulan la producción de algas en períodos de retención cortos. Tienen su aplicación en climas calientes y con buena radiación solar, y en la producción y cosecha de algas. b) Lagunas facultativas. facultativas. Presentan una profundidad intermedia (entre 1,2-2,5 m) y pueden aplicarse para cargas de entre 85 y 170 kg DBO5/ha.d, siendo su rendimiento depurativo similar al de las lagunas aeróbicas, pero con tiempos de retención hidráulica de 5 a 30 días. Se caracterizan porque mantienen unas © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales condiciones aerobias establecidas en la proximidad de la superficie (degradación aerobia y fotosíntesis), que contrastan con la descomposición anaeróbica de los solidos sedimentados en el fondo. La interfase entre ambos niveles varía en el curso del día en relación a la irradiación solar. Su aplicación radica como laguna primaria única de tratamiento, o bien como una unidad secundaria después de las lagunas anaeróbicas o aireadas. El mecanismo que caracteriza a las lagunas facultativas se produce en el estrato superior y corresponde a una simbiosis de algas y bacterias aeróbicas, por la que las bacterias heterotróficas descomponen la materia orgánica (C, N y P). La cantidad de oxígeno requerido para la descomposición de la materia orgánica, proporcionando compuestos inorgánicos solubles (NO3, PO4) y dióxido de carbono (CO2), se suministra gracias al proceso de fotosíntesis.
Figura 28.- Laguna secundaria ubicada en el campus de la Universidad de Piura (Perú). c) Lagunas anaeróbicas. Son las de mayor profundidad (2,5-5 m) y las que también pueden trabajar con una mayor carga de sustancia orgánica (225-600 kg DBO5/ha.d), inhibiendo la actividad fotosintética de las algas. Los tiempos de retención hidráulica se establecen entre 20-50 días y los rendimientos en la reducción de la DBO5 son del 50-85%. En ellas predomina un ambiente falto de luz y oxígeno en casi todos los niveles de la masa de agua, por lo que los procesos depurativos que se instauran son exclusivamente anaerobios, motivo
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Tratamiento de aguas residuales por el cual es menor la eficacia depurativa y, en consecuencia, requieren un tratamiento adicional, pues el efluente obtenido contiene un alto porcentaje de materia orgánica. Su aplicación radica como primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domésticas industriales. En este tipo de lagunas, la degradación de la materia orgánica se desarrolla en dos etapas: •
La etapa de fermentación ácida, donde los organismos formadores de ácidos atacan a las sustancias orgánicas y las transforman en compuestos orgánicos más simples y ácidos orgánicos.
•
La etapa de metanogénesis, donde los organismos anaeróbicos utilizan los productos intermedios de la primera etapa para producir gases como el metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S) y agua (H2O).
Los organismos formadores de metano son muy sensibles a las variaciones de carga, pH y temperatura, dependiendo de ellos la eficiencia del proceso.
4.3
Tratamientos biológicos de instalación
Los sistemas biológicos que aquí se incluyen pueden clasificarse en dos grupos, en base al modo de "cultivo" de los microorganismos que realizan la depuración: 1. Sistemas de Biomasa Suspendida. Aerobios:
Fangos Activos.
Anaerobios:
Sistemas Anaerobios de Mezcla Completa (ANIFLOW y ANCONT). Reactor de lecho de Lodos (UASB).
2. Sistemas de Biomasa Fija.
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Tratamiento de aguas residuales Lechos Bacterianos o Aerobios:
Filtros Percoladores. Biodiscos o contactor biológico rotativo. Filtros Anaerobios
Anaerobios:
Biológicos (ANBIOF). Lecho Fluidificado (FANBIOF).
3. De todos los tratamientos citados, seguramente el de fangos activos sea el de uso más extendido por tratarse de una instalación simple, bastante compacta, fácil de dirigir por su flexibilidad y con unos costes de funcionamiento moderados. 4. Los sistemas de biomasa fija son más compactos que los fangos activos. En comparación con los sistemas de biomasa suspendida presentan una flexibilidad frente a cargas variables más limitada y unos costes de realización algo mayores, pero menores costes de gestión.
4.3.1 Procesos aerobios de biomasa suspendida
Fangos activos Desde un punto de vista estrictamente técnico el proceso de fangos o lodos activos está constituido por un fermentador o reactor aerobio, que es alimentado con el influente a tratar en flujo continuo, completamente mezclado o no (existen diferentes variantes del proceso) y que contiene una población bacteriana heterogénea (figura 29 y 30).
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 29.- Depuradora biológica de fangos activos de la EDAR de El Pla de Santa Maria (Tarragona). El tanque rectangular contiene los fangos y el depósito circular corresponde al sedimentador secundario. Fuente: catálogo de Obras y Contratas Javier Guinovart, S.A. y la Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya). La base del proceso de fangos activos es la formación, mediante el proceso ya citado de biofloculación, de agregados bacterianos, denominados flóculos de fango, de aspecto gelatinoso y de algunos milímetros de tamaño. Estos flóculos están constituidos por sustancias en suspensión primordialmente orgánicas y con frecuencia en estado coloidal, así como de una numerosísima población de microorganismos vivos, principalmente bacterias seleccionadas por las características del ambiente (pH, luz, oxígeno disuelto, carga orgánica, micronutrientes, sustancias tóxicas). Las bacterias del proceso de fangos activos suelen ser gram negativas e incluyen miembros de los géneros Pseudomonas, Zooglola, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibio, Mycobacterium, y dos bacterias nitrificantes: Nitrosomonas y Nitrobacter. Adicionalmente, pueden presentarse diversas formas filamentosas como Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiotrix, Lecicothrix y Geotrichum .
Si bien son las bacterias las que realmente degradan el residuo orgánico del influente, también es importante la actividad de otros microorganismos como los protozoos que consumen las bacterias dispersas que no han floculado, o los rotíferos que consumen cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 30.- Esquema del funcionamiento del proceso de fangos activos con sedimentación secundaria. Fuente: elaboración propia. El proceso que conduce a la eliminación de las sustancias orgánicas contenidas en el influente, por medio de los fangos activos, se puede secuenciar de la siguiente forma: 1. El primer paso es la bioadsorción y biofloculación del substrato en contacto con los fangos activos. 2. El segundo es la rotura de las sustancias poliméricas y las moléculas grandes (por acción de enzimas hidrolíticos liberados por las bacterias al medio colindante) en moléculas más pequeñas fácilmente bioadsorbibles y metabolizables por los microorganismos. 3. El tercero está constituido por dos procesos que se desarrollan paralela y simultáneamente. Por un lado está la oxidación aeróbica o respiración del material orgánico soluble biodegradable con producción de H2O, CO2, etc. (catabolismo celular) y, por otro, la síntesis de nuevas células bacterianas (anabolismo celular). 4. Finalmente, cuando disminuye la disponibilidad de sustrato, hay una oxidación del material orgánico inerte y celular de reserva para obtener la energía necesaria para mantener el metabolismo basal. Este fenómeno de autooxidación de las células se denomina "Respiración Endógena" y, como tal respiración, consume oxígeno. Si bien, teóricamente, esta secuencia de procesos podría conducir a la completa eliminación de las sustancias orgánicas, en la realidad es muy raro superar el 95% en su depuración, debido básicamente a 2 razones:
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Tratamiento de aguas residuales •
Motivos técnicos. Rendimientos muy elevados comportan notables y no justificados incrementos en los costes operativos y de implantación de los fangos activos.
•
Motivos biológicos. Existen sustancias de muy lenta biodegradación. Además, en el efluente final siempre es posible encontrar pequeñas cantidades de metabolitos bacterianos e incluso bacterias y finas partículas en suspensión que escapan del tanque de sedimentación que prosigue al tratamiento biológico; este tanque tiene la función de separar los microorganismos que arrastra el agua tratada y constituye la denominada "Sedimentación Secundaria".
Otra de las características de los procesos de fangos activos es que permite la eliminación del nitrógeno en caso de que en el esquema del proceso se prevea una zona anóxica (zona con déficit de oxígeno). En esta zona las bacterias anaeróbicas facultativas1 generarían nitrógeno gas (N2) a partir de la siguiente reacción de reducción:
2NO 3-
N2
En esta reacción, los nitratos (NO3-) proceden de la casi completa nitrificación2 que se consigue en el tratamiento de fangos activos, concretamente en la zona con oxígeno y siempre y cuando haya un tiempo suficiente de residencia del agua residual en los reactores (en los tratamientos convencionales de fangos activos este tiempo de residencia es de entre 4 y 8 horas). El correcto funcionamiento de un sistema de fangos activos depende de un adecuado suministro de oxígeno que permita: •
Degradación biológica de la sustancia orgánica.
•
Satisfacer la respiración endógena.
•
Producir la mezcla completa en el reactor.
•
Desarrollo de la nitrificación si es el caso.
•
Mantener una concentración mínima de oxígeno disuelto de 1-2 mg/l para evitar condiciones anóxicas (carencia de oxígeno disuelto).
•
Por tanto, es de fundamental importancia un correcto dimensionado de los sistemas de aireación y un funcionamiento regular de éstos.
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Tratamiento de aguas residuales Existen dos sistemas de incorporación de aire al influente: 1. Aireación Mecánica (agitadores superficiales). 2. Aireación por Insuflación (difusores sumergidos).
Figura 31.-
Aireación mecánica con un agitador superficial.
Fuente:elaboración propia a partir de la reseña bibliográfica nº 9. Los aireadores mecánicos actúan generando una fuerte agitación del agua residual mediante turbinas verticales o rotores horizontales. Ambos sistemas aseguran tanto el aporte de oxígeno al tanque, procedente del aire atmosférico, como una buena agitación del influente (figura 32). Como inconvenientes de las turbinas podría citarse que son ruidosas y producen salpicaduras. La instalación del sistema de aireación por insuflación y de los compresores de aire necesarios requiere una mayor inversión, por lo que sólo se utiliza en las plantas depuradoras de gran tamaño, en la que se consiguen importantes ahorros energéticos por la mayor eficiencia de la aireación. El insuflado de aire puede realizarse mediante difusores sumergidos de burbuja fina o de burbuja gruesa. Son los de burbuja fina los de uso más frecuente porque presentan una mejor transferencia de oxígeno al medio (proceso de absorción), esto es debido al hecho
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Tratamiento de aguas residuales de que un menor tamaño de burbuja de aire implica una menor velocidad de ascenso y, por consiguiente, mayor será el tiempo que requiere para llegar hasta la superficie, lo que permite una más alta transferencia de oxígeno y, por tanto, el consumo de aire será inferior y el consumo energético también (en los difusores de burbuja fina se utilizan 2436 m3 aire/kg DBO5 eliminada, mientras que en los de burbuja gruesa se precisan del orden de 30-55 m3 aire/kg DBO5 eliminada). Los difusores de burbuja fina fabricados con cerámica presentan problemas de ensuciamiento y un alto coste de mantenimiento, por lo que deben alimentarse con aire particularmente exento de impurezas; para evitar estos inconvenientes, están siendo sustituidos por los de membrana flexible, que no tienen estas desventajas. Los tratamientos biológicos convencionales por fangos activos finalizan con una sedimentación, denominada sedimentación secundaria, que tiene como objetivo la separación de la fase líquida de los flóculos de fango. Para esta operación suelen emplearse los tanques de decantación circulares o rectangulares anteriormente descritos (apartados 3.1.2.1. y 3.1.2.2.). Del fango depositado en el fondo de los sedimentadores secundarios, una fracción se recircula para mantener la concentración de microorganismos en el reactor, mientras que el resto, que coincide con el crecimiento de tejido celular, se purga. Debe mencionarse que en ocasiones se tienen problemas de sedimentación debido a anomalías en los flóculos de fango activo. Los problemas que se pueden dar son los siguientes: Problemas típicos del sistema de fangos activos "Bulking" o rehinchado del fango.- Fenómeno debido a una excesiva proliferación de bacterias filamentosas como consecuencia de una serie de factores (oxigenación defectuosa, déficit de nutrientes, presencia de productos inhibidores), que pueden presentarse individual o simultáneamente, creando un ambiente favorable para el crecimiento de las bacterias. La presencia de este tipo de microorganismos reduce tanto la velocidad de sedimentación, pudiéndose escapar fango del sistema (empeora la calidad del efluente), como la compactación del fango, lo que origina un recirculado con una menor concentración de fango. Para solucionar este problema resulta aconsejable
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Tratamiento de aguas residuales realizar un análisis microscópico, ya que el desarrollo de un determinado tipo de microorganismo filamentoso está ligado a uno o dos factores específicos y, por consiguiente, el conocimiento de la especie responsable del "bulking" indicará las causas y ayudará a escoger las actuaciones a realizar. "Rising"
o
reascenso
del
fango.- Fenómeno
típico
de
plantas
sobredimensionadas en las que, por este motivo, el tiempo de retención del fango en el sedimentador supera las 5 horas. Este tiempo es suficiente para que, de darse las condiciones anóxicas1 adecuadas en el sedimentador y de ser el influente rico en nitratos y nitritos, se desarrolle el proceso de desnitrificación con la consiguiente liberación de burbujas de nitrógeno que refloten parte de los fangos sedimentados, que son arrastrados por el efluente. Para solventar este problema se puede recurrir a incrementar la recirculación de fango (se reduce el tiempo en anoxia) o, solución más radical y sólo aconsejable cuando el rising es muy marcado, a modificar el valor de carga de fango (con ello, normalmente, dejará de desarrollarse la nitrificación en el reactor). "Desfloculación".- Rotura de los flóculos provocada por el efecto tóxico de metales o desinfectantes. Origina un efluente del sedimentador turbio y rico en pequeños sólidos en suspensión. Puede controlarse con la adición de 1-2 ppm de un polielectrolito catiónico. Formación de espuma.- La espuma puede aparecer tanto en el reactor biológico como en el sedimentador. Se pueden encontrar diferentes tipos de espuma: 1. Espuma ligera blanca/gris. Típico de plantas en fase de arranque (la espuma desaparece apenas el proceso se estabiliza) o con una carga excesiva de fango (se soluciona reduciendo la carga de fango aplicada). Esta espuma parece originada por sustancias orgánicas, con características tensoactivas, no degradadas. 2. Espuma gris-porosa (recuerda a la piedra pómez). Típica de plantas con una excesiva recirculación de sólidos menudos de los sobrenadantes producidos en las diversas fases del tratamiento de los fangos (espesamiento, digestión, deshidratación, todo ello tratado más adelante).
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Tratamiento de aguas residuales 3. Espuma grisácea, espesa o pastosa. Típica espuma debida a la carencia de nutrientes, circunstancia que parece producir una excesiva síntesis bacteriana de polisacáridos extracelurares. 4. Espuma marrón, espesa, viscosa y estable. Es el caso más frecuente y severo de formación de espuma en las instalaciones de depuración biológica de biomasa suspendida. Se debe a una excesiva proliferación de algunos microorganismos como Nocardia spp. (lo más habitual) y Microthrix parvicella. Las causas que originan esta espuma no se conocen bien por lo que no existen remedios seguros y eficaces, siendo hasta la actualidad la disminución de la edad del fango, aumentando su purga, el sistema usado con mayor frecuencia al haberse mostrado más eficaz que otros (como la eliminación física de la espuma, el uso de antiespumantes, el apagado temporal del sistema de aireación, etc.).
4.3.2 Procesos anaerobios de Biomasa suspendida
Digestión anaeróbica En la práctica común, los procesos aerobios se han empleado para el tratamiento de las aguas residuales y los anaerobios para tratar residuos con una gran carga contaminante (como por ejemplo los fangos producidos por los tratamientos primarios y secundarios) o como tratamiento inicial de aguas residuales, también con una elevadísima carga (efluentes industriales), cuya depuración se finaliza con sistemas aerobios. La digestión o fermentación anaeróbica es un proceso microbiológico que se desarrolla en ausencia de oxígeno. Consiste en una descomposición de la materia orgánica, que genera como productos finales: un gas de alto contenido energético, denominado biogás, y un lodo residual. El biogás es una mezcla gaseosa formada básicamente por metano (CH4), gas carbónico (CO2) y pequeñas cantidades de otros gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfhídrico (SH2). Este biogás se puede emplear en motores o bien quemarse para calentar el tanque donde se desarrolla la digestión anaeróbica (la temperatura óptima de operación es 35-37ºC), o incluso, puede purificarse y ser vendido a distribuidoras de gas natural.
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Tratamiento de aguas residuales
El lodo residual anaerobio es una mezcla de materia orgánica y microorganismos vivos o muertos bien estabilizada, por lo que normalmente, tras el secado, puede acumularse en vertederos o ser usada para acondicionar tierras de labor. Estos tipos de lodos son un valioso fertilizante ya que, al no degradarse los nutrientes por completo, aparecen en formas fácilmente asimilables por las plantas; de hecho, su composición es similar al humus; sin embargo, es necesario un control periódico del suelo donde se use como fertilizante porque puede producir una acumulación de fósforo y potasio. El proceso de digestión anaerobia comprende un conjunto de reacciones sumamente complejas, ligadas al metabolismo de los numerosos microorganismos que actúan como intermediarios en la transformación de la materia orgánica en substratos directamente asimilables que acaban convirtiéndose en biogás. Este proceso puede esquematizarse como sigue:
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 32.- Esquema del proceso de la digestión anaeróbica. Fuente: elaboración propia. Las etapas de este proceso son: 1. Etapa de Hidrólisis. Acción de enzimas hidrolíticos -liberados al medio por los microorganismos-, sobre los polímeros orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos), que hidrolizan a moléculas más sencillas y solubles (aminoácidos, azúcares, ácidos grasos, alcoholes). 2. Etapa de Acidogénesis. Las moléculas sencillas originadas en la etapa anterior experimentan una fermentación ácida, que produce diferentes productos intermedios, de entre los que destacan los ácidos grasos volátiles como el propiónico, el butírico y el valérico. Junto a estos, también se generan, aunque en
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Tratamiento de aguas residuales menor cantidad, otros ácidos (caproico, heptanoico, succínico, láctico) así como etanol, etanodiol, amoníaco, hidrógeno y dióxido de carbono. 3. Etapa Acetogénica. A partir de los ácidos de cadena más larga formados en la etapa anterior, una serie de bacterias acetogénicas, como la Syntrophomonas wolfei (utiliza el butírico) o la Syntrophobacter wolinii (utiliza el propiónico), producen fundamentalmente ácido acético (70%) y, además, hidrógeno y ácido carbónico. 4. Etapa Metanogénica. Formación de metano por bacterias metanogénicas hidrogenófilas (producen aproximadamente el 15% del metano total por la reducción del anhídrido carbónico por medio de hidrógeno molecular u otros productos de la fermentación como ácidos grasos), y bacterias metanogénicas acetoclásticas (producen el resto del metano a partir de acético por reducción directa de grupos metilo). Uno de los inconvenientes de la digestión anaeróbica es el lento crecimiento de las bacterias formadoras de metano, circunstancia que convierte a la etapa metanogénica en el "cuello de botella" y en la responsable de los muy altos tiempos de retención del proceso. Ç
Sistemas anaerobios de mezcla completa La digestión anaeróbica se lleva a cabo en un tanque cerrado en el que se introduce, de manera continua o discontinua, el agua residual o residuo a tratar. La mezcla completa asegura que la composición del influente en todo el volumen del reactor sea homogénea. La mezcla puede realizarse mediante agitación mecánica con una hélice situada en el interior del reactor o por un sistema neumático por recirculación de gas. Dentro de este tipo de tratamiento anaerobio existen dos variantes (figura 34): •
Reactor de tanque agitado sin recirculación de biomasa (ANIFLOW).
•
Reactor de tanque agitado con recirculación de biomasa o Reactor de contacto (ANCONT): en este caso, a continuación del reactor, se sitúa un decantador secundario por el que se hace circular el efluente, previa desgasificación de éste
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Tratamiento de aguas residuales por agitación violenta (ya que la presencia de gas podría impedir la sedimentación). Los tanques de digestión anaerobia contienen grandes cantidades de materia orgánica en suspensión (entre 20 y 100 g/l se considera adecuado). La mayor parte de ese material suspendido es biomasa bacteriana, en concentraciones de hasta 109-1010 bacterias por mililitro; los hongos y protozoos se encuentran en número muy bajo y no desempeñan un papel significativo en la digestión anaeróbica.
Figura 33.- Sistemas anaerobios de mezcla completa con y sin recirculación del fango. Fuente: reseña bibliográfica nº 9. Es frecuente que estos tanques posean un intercambiador de calor como sistema de mantenimiento de la temperatura ya que la temperatura óptima de operación está entre 35 y 37 ºC. Lo habitual es que sea un sistema indirecto, es decir, se sitúa una bomba que extrae el influente del reactor, lo hace circular a contracorriente con el fluido calefactor del intercambiador y lo vuelve a introducir en el tanque.
Lecho de lodos Los reactores anaerobios de esta tipología de tratamiento se denominan UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket o Manto de Fango de Flujo Ascendente).
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Tratamiento de aguas residuales En el interior de estos reactores se favorece la formación de flóculos o agregados de bacterias; al realizarse la alimentación del influente por la parte inferior y generarse gases (principalmente CO2 y metano), estos flóculos pueden mantenerse en suspensión (figura 35). Tanto el gas libre como las partículas a las que se ha adherido el gas, ascienden hacia la parte superior del reactor donde se produce la liberación de este gas adherido, al entrar en contacto con unos deflectores desgasificadores. Las partículas desgasificadas suelen volver a caer y el gas se captura en una bóveda de recogida de gases instalada en la parte superior del reactor. Es decir, permanentemente tenemos un flujo ascendente y otro descendente de agregados bacterianos, aunque no hay una distribución homogénea de los mismos, ya que su concentración es tanto mayor cuanto más próximos están a la base del reactor.
Figura 34.- Procesos Anaerobios de Biomasa Suspendida con y sin recirculación de biomasa (UASB). Fuente: adaptado de reseña bibliográfica nº 9. El líquido tratado que sale del reactor, que contiene algunos sólidos residuales y gránulos biológicos, se conduce a una cámara de sedimentación. Los sólidos separados se reintroducen en el reactor. El tiempo de retención del reactor UASB es de 4-12 horas, permitiendo una reducción del 75-85% en la DQO. La velocidad de flujo necesaria para mantener el fango en suspensión es de 0,6-0,9 m/h.
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Tratamiento de aguas residuales 4.3.3 Procesos aerobios de biomasa fija La siempre mayor limitación de los espacios y la exigencia de contener dentro de unos valores aceptables los costes de construcción y de ejercicio de los tratamientos de depuración, están llevando a reconsiderar cada vez más las ventajas propias de los reactores biológicos de biomasa fija (biopelículas o biofilms) respecto a los de biomasa suspendida. La mayor parte de los sistemas de depuración utilizan medios de soporte fijos o móviles de una gran superficie específica y que pueden ser de origen natural (cantos rodados, escoria, antracita, puzolana) o de plástico. Entorno a estos soportes se forma una biopelícula (que no es más que una colección irregular de microorganismos y de sus productos extracelulares) a través de la cual, una vez en contacto con el agua residual, se produce un doble proceso de difusión: •
Un proceso de materia orgánica disuelta y de oxígeno desde el agua residual al biofilm, donde se produce la depuración por metabolización microbiana de la materia orgánica.
•
Un proceso de CO2 y metabolitos de los microorganismos desde el biofilm al agua.
Debido a que la migración del substrato es de 3 a 5 veces menor que la del oxígeno, se desarrollan dos capas: •
Una capa externa aerobia que recibe substrato y, por lo tanto, crece.
•
Otra capa más interna anaeróbica sin substrato ni oxígeno y en fermentación, cuyos gases de fermentación provocan el desprendimiento de trozos de biopelícula que son arrastrados por el agua y separados en la decantación secundaria.
También habrá arrastre de bacterias si el agua residual pasa a gran velocidad, debido al importante esfuerzo cortante que se genera. En cualquier caso, el espacio libre es ocupado rápidamente por nuevas colonias bacterianas; este fenómeno es la esencia del mecanismo de autolimpieza que impide el atascamiento del sistema. En cuanto a las características y ventajas de estos sistemas cabe destacar:
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Tratamiento de aguas residuales •
Facilitan la separación del líquido y de la biomasa.
•
Permiten disponer de una elevada concentración de microorganismos en los reactores para cualquier tiempo de retención hidráulico. En estos sistemas, los tiempos de permanencia son relativamente cortos (de 5 a 15 minutos), por lo que si no estuviesen las bacterias fijadas a un soporte, habría un lavado de éstas, por ser este tiempo inferior al tiempo de generación de microorganismos.
•
Dan elevados rendimientos depurativos.
•
Puede favorecerse el crecimiento diferenciado de bacterias en diferentes zonas del reactor, variando el tipo de superficie de soporte.
•
Poseen estabilidad y resistencia ante variaciones de la carga del substrato.
•
Presentan una mayor resistencia que los sistemas de biomasa suspendida frente a toxinas e inhibidores (como por ejemplo antibióticos). La presencia de estos compuestos afectará, por difusión, a las primeras capas de microorganismos, pero el biofilm podrá recuperarse si esta presencia no es muy duradera.
•
Los sistemas tradicionales de biomasa fija por lo general no son válidos para la eliminación biológica de los nutrientes, aspecto que será obligatorio en la Unión Europea desde el año 2000.
Filtros percoladores Los filtros percoladores son también conocidos como lechos bacterianos. En ellos el agua residual, generalmente decantada para evitar un rápido atascamiento, se derrama sobre un lecho de grava o de piezas de plástico, donde se adhieren los microorganismos formando la biopelícula, donde se elimina gran parte de la materia orgánica, tal y como se ha descrito en el apartado precedente. Este relleno se debe repartir bien en un reactor, que normalmente es de diseño circular con distribución rotativa del agua residual, por ser éste el sistema más sencillo y eficaz para producir una buena equirepartición del influente y un buen contacto entre ambas fases. En algunos casos, los reactores son de construcción rectangular con distribuidores fijos (aspersores) en las esquinas. La solera de estos reactores tiene un falso fondo que soporta el material, permitiendo que salga el agua residual y que entre el aire (la casi totalidad de los lechos bacterianos utilizan la ventilación natural ascendente). A la salida del filtro percolador se sitúa un canal de recogida de las aguas que puede ser interior o exterior; situado en el exterior, alrededor del lecho, es visitable y más fácil de
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Tratamiento de aguas residuales limpiar. Una inclinación del fondo, al menos del 2%, proporciona una buena velocidad de circulación del agua y evita los depósitos. A continuación del filtro percolador es conveniente instalar un sedimentador para eliminar los sólidos que puedan desprenderse del filtro; estos sólidos, en su caída, absorben una parte de los materiales no sedimentables, coloidales, no eliminados en la decantación primaria y que, por tanto, entran con el agua residual en el lecho bacteriano. Normalmente, se recircula parte del agua procedente del decantador secundario si la entrada de agua al filtro no es suficiente como para asegurar que esté permanentemente mojado (pero no sumergido pues no entraría oxígeno), para evitar que se seque el biofilm. Además, con la recirculación se consigue una siembra en la superficie y se contribuye a la homogeneidad del filtro. Se busca que los filtros percoladores funcionen por gravedad, sin una sola bomba, con lo que la potencia instalada será mínima, así como el mantenimiento requerido. Estas circunstancias los hacen muy indicados para instalaciones pequeñas en zonas de baja población. Finalmente, se deben mencionar los dos principales inconvenientes de este sistema: •
Sobre la superficie del filtro pueden crecer todo tipo de organismos (algas, protozoos, gusanos, insectos), lo que, unido al hecho de tener el lecho bacteriano en contacto con el aire (las bacterias están mojadas y no sumergidas), termina por originar malos olores. Para solucionar este problema se puede recurrir a cubrir el reactor con una lona o con otro tipo de estructura sencilla, aunque ello incrementa los costes.
•
Debido al corto tiempo de residencia del agua residual en los lechos bacterianos, no es posible realizar la nitrificación (eliminación de nutrientes) debido a que no se puede completar la fase de amonificación, es decir, la transformación del nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal (tan sólo los compuestos fácilmente amonificables, como por ejemplo la urea, se transforman en amoníaco). Como solución, en los casos en que se busque eliminar el nitrógeno orgánico, se puede realizar una primera etapa de tratamiento con lechos bacterianos o por fangos activos, en la que se elimine entre el 80 y el 90% de la contaminación carbonatada, seguida de una segunda etapa con lecho bacteriano para la oxidación biológica del nitrógeno amoniacal.
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Tratamiento de aguas residuales Sistemas biológicos rotativos de contacto (biodiscos) El sistema de biodiscos consiste en una batería de discos paralelos (en serie) que giran sobre un eje horizontal y se sumergen, del orden de un 40%, de forma cortante en la superficie del agua a tratar (figura 36). Sobre el material de relleno de los discos se adhieren los microorganismos formando el biofilm, de forma similar a como sucede sobre el relleno de los filtros percoladores. Al girar los biodiscos sobre su eje, el biofilm se sumerge en las aguas residuales y contacta con el oxígeno atmosférico de forma alternativa, por lo que puede ser considerado como un sistema aerobio. Además, este movimiento permite que los sólidos del agua estén en suspensión y no sedimenten.
Figura 35.- Sistema de Biodiscos o sistema biológico rotativo de contacto. En la fotografía se ve la instalación no operativa ya que en funcionamiento los biodiscos quedan sumergidos en un 40% dentro del agua a tratar. Fuente: catálogo de Sernagiotto.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 36.- Sistema de Biodiscos (cubiertos por una carcasa blanca a la izquierda de la fotografía) en la población de Montagut (Girona). Fuente: Junta de Sanejament (Generalitat de Catalunya) e Hidrowatt S.A. Este sistema permite un mejor control del proceso que los filtros percoladores, ya que la velocidad de paso del agua residual y la depuración pueden controlarse a través de la velocidad de giro de los biodiscos y de la distancia entre éstos. Sin embargo, al haber partes móviles, requiere un mayor consumo de energía eléctrica (aunque menor al de los procesos tradicionales) y presenta inconvenientes mecánicos que pueden provocar hasta la rotura del eje horizontal y de giro, en caso de estar infradimensionado respecto a la carga aplicada, a causa del exceso de peso de la biomasa. Por otro lado, se ha podido demostrar teóricamente y en ensayos de laboratorio que es posible lograr la eliminación combinada de la materia orgánica y del nitrógeno en un único reactor, controlando las cargas y concentraciones de sustancias orgánicas, la temperatura y la presión parcial de oxígeno en la fase gaseosa. Sin embargo, faltan todavía experiencias a mayor escala para verificar la fiabilidad del sistema en condiciones reales de variaciones de las cargas de ingreso.
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Tratamiento de aguas residuales 4.3.4 Procesos anaerobios de biomasa fija
Filtro anaerobio Los filtros anaerobios se emplean cada vez más por su reducido espacio, por lo que serán especialmente útiles en pequeñas industrias, actuando como miniestaciones de tratamiento de agua transportables (alojándolos en contenedores de unos 6 metros). Consisten en una columna de relleno sobre la que se desarrollan y fijan las bacterias anaeróbicas. Al encontrarse los microrganismos adheridos sobre un medio sólido se pueden lograr tiempos de retención celular muy elevados, del orden de 100 días, con bajos tiempos de retención hidráulica. Esta circunstancia permite que estos filtros sean recomendables en tratamientos de aguas residuales de alta concentración contaminante. Existen dos variantes de este tratamiento según el sentido del flujo del agua a tratar: 1. Filtro Anaerobio de Flujo Ascendente (figura 38). En este caso, el agua a tratar pasa de abajo a arriba por el interior de la columna, llevándose a cabo la mayor parte de la depuración por los microorganismos adheridos sobre el soporte inmóvil. Estos microorganismos suman, aproximadamente, el 70% de las bacterias totales presentes en el sistema ya que hay una parte de ellas que son arrastradas por el influente y reemplazadas sobre el soporte, según el ya mencionado mecanismo de autolimpieza que confiere estabilidad y resistencia a cambios de caudal. El borboteo del metano generado produce que la fase líquida esté completamente agitada y sea homogénea la carga contaminante. 2. Filtro Anaerobio de Flujo Descendente (figura 38). Aquí el influente entra por la parte superior y sale por la inferior. Se diferencia del anterior, además de en el sentido de circulación del agua residual, por una distinta distribución del soporte en el seno del reactor y por darse una gran turbulencia en la cabeza del mismo (lugar donde la concentración de carga contaminante es mayor) debido a la circulación en contracorriente del líquido (descendente) y del metano (ascendente).
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 37.- Procesos Anaerobios de Biomasa Fija de flujo asdendente y de flujo descendente (ANBIOF). Fuente: elaboración propia a partir de reseña bibliográfica nº 9.
Lecho fluidificado Se trata de un reactor relleno parcialmente de biopartículas en estado fluidizado, esto es, libremente suspendidas por la corriente líquida; esta corriente está formada por la recirculación y por el influente a tratar, que circula en flujo ascendente a través de las partículas (figura 38). Las citadas biopartículas están constituidas por un soporte inerte (como granos de arena, carbón, conglomerante expandido) entorno al cual se fija la biomasa microbiana. En muchas ocasiones se emplea un inóculo de lodo, procedente de un reactor anaerobio, para conseguir una película biológica bien adherida al soporte, aunque se requerirá de un elevado tiempo de adaptación de los microorganismos al nuevo substrato y temperatura.
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Figura 38.- Procesos anaerobios de biomasa fija de lecho fluidificado (FANBIOF). Fuente: elaboración propia a partir de reseña bibliográfica nº 9. Una de las características de un sistema como el descrito es que si, una vez alcanzada la velocidad de flujo que permite lograr el estado fluidificado ésta aumenta, se incrementa la longitud del lecho sin que se observe una variación significativa en la caída de presión. La diferencia de presión se mantiene, pues, sensiblemente constante e igual al peso de las partículas por unidad de superficie (la caída de presión a través del lecho equilibra a la fuerza de gravedad, lo que significa que la fuerza total de fricción sobre las partículas debe ser igual al peso efectivo del lecho). También se observa que las biopartículas no son iguales, al ser variable el espesor de la biopelícula fijado al soporte, siendo la densidad global de la biopartícula tanto menor cuanto mayor sea el grosor del biofilm. Esta circunstancia es la responsable de que en el lecho haya una distribución de tamaños de biopartículas, fenómeno que recibe el nombre de estratificación. Uno de los principales inconvenientes que presenta este sistema de tratamiento es el arrastre de biopartículas por las burbujas de metano en el recirculado, que originan serios problemas de abrasión en conducciones, (que pueden llegar incluso a ser perforadas), rodetes de bombas, etc. por donde es vehiculada la fracción que se recircula. La recirculación de efluente se realiza para diluir el agua entrante y para mantener un caudal adecuado que asegure que el medio se halle expandido.
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Tratamiento de aguas residuales De hecho, si bien los lechos fluidificados son más eficientes que los filtros anaerobios y que los reactores USAB, son los menos instalados porque, además de unos elevados costes de explotación, en buena parte debidos al problema de corrosión física ya comentado, son complicados de diseñar y requieren múltiples mecanismos de control. Esto último se debe al hecho de que al arrancar el reactor el lecho está formado por partículas de material inerte, con características físico-químicas seleccionables por el diseñador, pero a medida que los microorganismos se adhieren a la superficie, la densidad, tamaño y forma de las partículas evolucionan, obligando a modificar las condiciones de operación. En los lechos fluidificados se pueden lograr concentraciones de masa superiores a 15.000-40.000 mg/l. Estas concentraciones tan elevadas de biomasa permiten que el tratamiento del agua residual se pueda realizar con tiempos de retención hidráulica muy pequeños.
4.4
Tratamiento de los residuos obtenidos en la depuración de las aguas residuales
Las diferentes operaciones de depuración de un agua residual que han sido descritas, generan una serie de residuos que pueden clasificarse en dos grupos: •
Sólidos gruesos que normalmente se obtienen en los pretratamientos y que, por lo general, o bien son incinerados o bien se vierten en vertederos.
•
Lodos, que se generan tanto en los tratamientos primarios como en los secundarios; los generados en el primer tipo de tratamiento suelen tener un color gris y son malolientes, mientras que los generados en el segundo tipo de tratamiento acostumbran a ser pardo-amarillentos y bastante inodoros.
Los lodos o fangos se presentan en forma líquida o semisólida y con un contenido de entre 0,25-12% (en peso) de sólidos, según el proceso del que procedan. Los lodos se someterán a uno u otro tratamiento según sea su origen y su carga contaminante o tóxica. Estos tratamientos intentan reducir el volumen de estos fangos (mediante deshidratación) y contemplan la posibilidad de, o bien recuperar algún componente, o bien acondicionarlos para su reutilización (por ejemplo, en agricultura).
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La acumulación de lodos o fangos de depuradora genera tres problemas esenciales: 1. Problema de espacio (el fango ocupa un espacio). Por ejemplo se estima que la producción de fangos en Cataluña en el año 2000 será de 325.000 - 450.000 Tm. 2. Problema medioambiental. Debido a: •
Los fangos presentan un alto contenido en metales pesados, por lo que su acumulación en el suelo es conflictiva.
•
La presencia de nitratos en los fangos puede originar problemas de contaminación en aguas subterráneas.
•
Los fangos contienen todo tipo de contaminantes orgánicos (compuestos organofosforados,
hidrocarburos,
fenoles,
detergentes
industriales,
disolventes hidrocarbono clorados, etc.). 3. Problema higiénico-sanitario en el uso o manipulación de fangos que hayan sido sometidos a un tratamiento térmico a alta temperatura que asegure la eliminación de los organismos patógenos que puedan contener.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 39.- Aspecto de los fangos deshidratados (izquierda) y de los fangos secados y granulados (derecha). Fuente: Seghers Engineering nv.
4.4.1 Operaciones preliminares en el tratamiento de fangos El tratamiento de los fangos es complejo, tanto por el hecho de contener gran parte de las sustancias responsables de la toxicidad del agua residual no tratada, como por contener materia orgánica. El fango producido en el tratamiento biológico contiene la materia orgánica presente en el agua residual, pero en una forma diferente a la inicial y, susceptible de descomponerse y llegar a ser tóxica. Antes de iniciarse el tratamiento de los fangos es necesario, en ocasiones, realizar una serie de operaciones preliminares para obtener un compuesto relativamente homogéneo y en cantidad constante. Las operaciones preliminares típicas son: •
El triturado del fango.
•
El desarenado (cuando la separación de la arena se haya realizado en el sedimentador primario).
•
El mezclado de los distintos fangos producidos a lo largo del proceso de depuración y almacenado, así se corrigen las variaciones en la producción de fangos.
•
La acumulación del mismo en los períodos en que las siguientes etapas del tratamiento no están operando (turno de noche, fin de semana, etc.).
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Tratamiento de aguas residuales 4.4.2 Espesamiento Los fangos suelen someterse a un proceso de concentración para minimizar al máximo su humedad y reducir así el volumen de fango. Este proceso es muy beneficioso para las siguientes operaciones del tratamiento de fangos por distintos motivos: •
Se necesitan tanques y equipamientos de menores dimensiones.
•
Hay una reducción en los requerimientos químicos para el acondicionado de los fangos.
•
Se rebajan los consumos de fuel tanto de los secadores térmicos como de las incineradoras.
Los lodos procedentes de la purga del decantador se conducen mediante bombeo a una unidad de espesamiento. El tipo de bomba empleada (centrífuga, peristáltica, de pistón, etc.) depende de las características del fango a vehicular, fundamentalmente de su grado de humedad. La concentración de los fangos suele realizarse por métodos físicos como la flotación, centrifugación, filtración (figura 41) y sedimentación, que es el sistema más extendido. La sedimentación se realiza en un decantador de paredes muy altas y con un puente diametral central donde suele haber un motorreductor que acciona un conjunto de elementos verticales que remueven continuamente el fango, abriendo canales para que se escape el agua y favorecer, de esta forma, la concentración del fango. En la parte inferior de estos decantadores, y conectado con el eje central, hay una rasqueta de barrido que conduce los fangos compactados a una zona central de recogida y extracción. El agua separada en el espesador se conduce a la línea de tratamiento del agua residual. Es un práctica común adicionar agentes espesantes a los fangos que llegan al espesador, ya que así se potencia el aumento de su densidad, hasta obtener un lodo espesado con 6-10% de sólidos.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 40.- Compactador de fangos dinámico giratorio (concentración de fangos por filtración). Los fangos entran por un extremo del compactador y son conducidos por un tornillo sinfin hasta el otro extremo, de forma que el líquido va siendo filtrado a través de la membrana (en blanco en la figura) y se recoge por la parte frontal. Fuente: catálogo comercial de Sernagiotto.
4.4.3 Estabilización Con la estabilización, el fango pierde sus características iniciales de putrescibilidad, se limitan los inconvenientes sanitarios que podrían derivarse de su uso (presencia de patógenos) y se eliminan los malos olores. Todos estos inconvenientes son debidos a la acción microbiana sobre la fracción orgánica o volátil del fango. Los mecanismos para solventar estos problemas y obtener productos estables e inertes son: •
Reducción biológica de volátiles.
•
Oxidación química de la materia volátil.
•
Adición al fango de compuestos químicos que impidan la supervivencia de microorganismos.
•
Aplicación de calor para desinfectar o esterilizar el fango.
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Tratamiento de aguas residuales Esta estabilización del fango se realiza mediante procedimientos de digestión anaerobia o aerobia (aireación prolongada en tanques iguales a los de lodos activos, que permite oxidar las materias volátiles y descomponer el fango), o mediante tratamientos químicos o térmicos como alternativa. De hecho, se considera que existen dos categorías generales en los procesos de tratamiento de fangos: •
Sistemas que incluyen digestión biológica.
•
Sistemas sin tratamiento biológico.
4.4.4 Deshidratación Finalmente, se somete a los fangos a algún proceso de deshidratación a fin de seguir reduciendo su contenido de humedad para obtener un producto de más fácil manejo y reducir los costes de transporte a su destino último; además, la deshidratación es necesaria antes del compostaje o de la incineración. Con esta finalidad, normalmente los lodos pasan a una unidad de filtración (en algunos casos la filtración se realiza sin espesamiento previo), a fin de conseguir mayores concentraciones. Los sistemas utilizados son, por un lado, las centrífugas o los filtros de vacío, con éstos difícilmente se obtienen tortas con un contenido en sólidos superior al 30% y, por otro lado, los filtros prensa o filtros continuos de banda, con los que se obtienen tortas con el 35-50% de contenido en sólidos siendo, por tanto, sistemas más eficaces . Los filtros de vacío son un sistema complejo con elevados costes de operación y mantenimiento, motivos por los que se han ido sustituyendo a medida que se han mejorado los métodos alternativos de deshidratación. Los filtros de banda se han mostrado efectivos para casi todos los tipos de fangos, por lo que son uno de los sistemas predominantemente empleados en el deshidratado de fangos. Se basan en la aplicación mecánica de presión sobre el fango, que es estrujado entre dos bandas porosas. Para mejorar las características de deshidratación del fango se adicionan, en algunos casos, floculantes (polielectrolitos); por lo que, en estos casos, el agua de lavado del filtro y el agua filtrada deben conducirse al tanque de espesamiento y no al inicio de la línea de tratamiento del agua residual, porque el electrolito puede afectar negativamente al proceso biológico.
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Tratamiento de aguas residuales
Los filtros prensa, si bien permiten obtener tortas con una alta concentración de sólidos, presentan el problema de ser mecánicamente complejos, presentar altos costes de operación y la limitada vida de las placas del filtro.
Figura 41.- Disposición de un filtro de banda (derecha) y una cinta transportadora (izquierda) para la recogida de los lodos deshidratados de la EDAR de Santa Coloma de Queralt (Tarragona). Fuente: Junta de Residus, Generalitat de Catalunya y Sorigue. Otro sistema de deshidratación, distinto a los citados, lo constituyen las "Eras de Secado". Suelen ser tanques rectangulares contiguos, con un lecho poroso de arena y grava en su interior por el que se filtran las aguas que contienen los lodos ya digeridos o espesados. Su diseño permite que la eliminación de agua se realice tanto por el drenaje sobre lecho poroso como por evaporación. En algunos casos, tras la deshidratación se procede a realizar una nueva operación sobre el fango, como es el "Secado térmico", que permite obtener tortas con menos de un 10% de humedad. Para la realización de este proceso existen tres tipos de secadores: 1.
Secadores directos (figura 43): En ellos, una fase gaseosa, normalmente aire caliente, se pone en contacto con el material a secar evaporando y arrastrando el agua contenida en éste.
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Figura 42.- Secadores térmicos directos. Fuente: adaptado a partir de la reseña bibliográfica nº 3. 2.
Secadores indirectos (figura 44): En este caso, se verifica un contacto entre una superficie caliente y los fangos a secar. El vapor que se produce es extraído por un modesto flujo de aire.
Figura 43.- Secadores térmicos indirectos. Fuente: adaptado a partir de la reseña bibliográfica nº 9. 3.
Secadores mixtos (figura 45): Constituyen una solución intermedia, ya que una parte del calor, generalmente el 20-30%, es transferido por contacto con una superficie caliente y otra parte es cedida por un flujo de aire caliente.
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Figura 44.- Secadores térmicos mixtos. Fuente: adaptado a partir de la reseña bibliográfica nº 9. En el caso de emplear secadores directos o mixtos se deberá contemplar la instalación con sistemas de tratamiento del aire a la salida de los secadores, ya que éste arrastra vapores mal olientes, partículas de fango en forma de polvo y sustancias incondensables. Para ello, normalmente se recurre al uso de ciclones (para separar partículas sólidas), torres de lavado (para las sustancias incondensables) y filtros biológicos que se suelen rellenar con turba o brezo, para la desodorización. Para los secadores indirectos, esta línea de tratamiento se simplifica porque el volumen de aire es muy pequeño y no hay arrastre de partículas de fango, por lo que se suprimen los ciclones. El fango secado térmicamente es válido para ser usado en agricultura ya que no hay variaciones en el contenido en nutrientes y oligoelementos. Únicamente se constata una modesta conversión de nitrógeno amoniacal a nitrógeno nítrico.
4.4.5 Sistemas de eliminación del fango Los fangos de las depuradoras, una vez sometidos a todos o algunos de los tratamientos que se acaban de describir, se envían a un destino final que puede consistir en: •
Eliminación del fango. Consiste en la incineración o bien en la deposición en vertederos especiales. En ambos casos, se produce una pérdida económica importante y es inevitable un fuerte impacto medio-ambiental.
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Una alternativa a los dos sistemas de eliminación citados lo constituye el vertido del fango al mar. Su aplicación requiere un estudio de las corrientes marinas y la estabilización previa de los fangos para minimizar los problemas medioambientales que pueden originar en el fondo marino. Sin embargo, el vertido de fango al mar fue prohibido en la CEE en 1999. •
Reutilización del fango. Minimiza los negativos efectos económicos y ambientales de la eliminación. Los objetivos fundamentales de la reutilización son:
Aprovechar los fangos como fuente de energía. Aprovechar los componentes de los fangos.
El destino más frecuente de los fangos lo constituye su esparcimiento sobre o justamente por debajo de la superficie del suelo. Una vez sobre el terreno, la luz y los microorganismos del suelo terminan de destruir los patógenos y muchas sustancias orgánicas tóxicas que se encuentran en el fango. Esta reutilización del fango, para que sea de utilidad agrícola, debe tener un efecto fertilizante y/o de enmienda y correctivo del suelo (facilitar el transporte de nutrientes; incrementar la retención de agua).
Vertido controlado El vertido se debe realizar en vertederos especiales bajo un estricto control. Se lleva a cabo de forma compacta y en capas alternadas de fango y suelo sobre materias impermeables. Entre los problemas que presenta el vertido controlado se deben mencionar: •
Elevado coste de transporte.
•
Dificultad para encontrar vertederos adecuados.
•
Contaminación del suelo y capas freáticas por lixiviación de elementos potencialmente tóxicos.
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Tratamiento de aguas residuales Incineración del residuo La incineración o reducción térmica de los fangos permite la total o parcial conversión de los sólidos orgánicos a productos finales oxidados, principalmente dióxido de carbono y agua, generándose un residuo, llamado cenizas, biológicamente inerte pero con una fuerte carga mineral de macro y micronutrientes que las convierte en un material aprovechable para el abonado. Entre las ventajas de la incineración se encuentran una máxima reducción del volumen, destrucción de patógenos y componentes tóxicos; pero también presenta diferentes inconvenientes como son una alta inversión inicial, fuertes costes de operación, requerir de personal especializado y emisión de gases tóxicos (dispersan a la atmósfera partículas de aerosol de metales pesados y de óxidos de azufre y nitrógeno). Normalmente, los fangos que se destinan a incineración están deshidratados pero no estabilizados ya que, especialmente la estabilización por digestión aeróbica o anaeróbica, origina un descenso en el contenido en volátiles del fango lo que determina un aumento del consumo de fuel. Una excepción a esta circunstancia la constituye el secado térmico que origina un fango con muy baja humedad autocombustible.
Reutilización agrícola de los fangos La aplicación del fango sobre terrenos agrícolas puede ser directa, previa estabilización, o a través del compostaje. El compostaje es un proceso de degradación biológica, llevado a término por bacterias, actinomicetos y hongos, que estabiliza la materia orgánica. Es aplicable sobre residuos sólidos urbanos, materiales orgánicos naturales fermentables y fangos deshidratados derivados de la depuración de aguas residuales. Normalmente, el compostaje se realiza en condiciones aeróbicas por espacio de 21-28 días ya que es más rápido, se alcanzan mayores temperaturas (es un proceso exotérmico y pueden alcanzarse hasta 50-70ºC), asegurándose la destrucción de patógenos, y se minimizan los problemas por malos olores. Los fangos debidamente compostados son seguros desde el punto de vista sanitario y son parecidos al humus del suelo al contener ácido húmico.
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Tratamiento de aguas residuales Los fangos de depuradora y el compost presentan altos contenidos en materia orgánica, nitrógeno, fósforo y oligoelementos (como cobre, hierro y zinc), circunstancia por lo que se ha estudiado ampliamente su uso como abono organomineral y como enmienda orgánica del terreno. La reutilización es de gran interés en el área mediterránea, caracterizada por suelos normalmente muy pobres en materia orgánica y nutrientes, además de estar sometidos a una intensa acción erosiva, propiciada, fundamentalmente, por factores climáticos. Las vías de actuación del fango para corregir estas circunstancias son: •
Los fangos actúan sobre las propiedades físicas del suelo, en especial aumentan la capacidad de retención de agua del mismo y favorecen la formación de agregados estructuralmente estables que elevan la porosidad y facilitan el aireamiento. Este efecto reestructurador y de mejora de las condiciones químicas y físicas del suelo reduce su erosionabilidad.
•
Los fangos constituyen una base importante para el desarrollo de los microorganismos que actúan como reguladores de los ciclos biogeoquímicos del suelo.
•
El dióxido de carbono formado en el proceso de mineralización de la materia orgánica del fango, proceso que transforma en disponible para las plantas los elementos nutritivos contenidos en el fango, facilita la disgregación y solubilización de los minerales del terreno. Además, el incremento del flujo de carbónico desde el suelo a la atmósfera permite la intensificación de los procesos fotosintéticos.
•
Los fangos aumentan la capacidad de intercambio catiónico de suelo, mejorando de esta manera su capacidad de reserva de nutrientes.
Sin embargo, a pesar de todas estas cualidades, el uso agrícola de fangos estabilizados y compost está afectado por factores agronómicos (su demanda, por parte de los agricultores, es estacional y ligada a una utilidad agronómica) y por factores medioambientales como son: •
Exportación de contaminantes por lixiviación.
•
Exportación de contaminantes a la atmósfera.
•
Remanente de contaminantes en el suelo. Exportación de contaminantes a la cosecha. De especial importancia son las
•
limitaciones del contenido en metales pesados del fango, los cuales pueden pasar
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Tratamiento de aguas residuales a los frutos de la tierra y de éstos a hombre y animales (algo parecido ocurre con algunos compuestos orgánicos tóxicos que pueden ser directamente ingeridos por animales de pastoreo). Otro posible factor limitante en el uso de los fangos puede ser el desconocimiento social del tema, lo que genera desconfianza, tanto por parte de los organismos como por parte de los particulares a la hora de emplear fangos en suelos agrícolas. Esta desconfianza está basada en el peligro de introducir elementos potencialmente tóxicos en la cadena trófica, al igual que al hecho de que, al no haber sufrido un proceso de esterilización, puede contener organismos patógenos perjudiciales desde el punto de vista de la salud. A los factores que se acaban de citar se une el continuo incremento de la producción de fangos, como consecuencia de la difusión de las plantas depuradoras de agua residual, y la disminución de las posibilidades de encontrar soluciones de reutilización o de digestión en las proximidades de las instalaciones donde son generados ya que, normalmente, las grandes plantas de depuración no están ubicadas en áreas agrícolas y las vías de evacuación y tratamiento en las proximidades de las ciudades (aplicación al terreno, evacuación a vertederos controlados, incineración) están ya completas o casi completadas. Además, esta situación se ve agravada por el permanente aumento de los costes de transporte y vertido. Por todo ello, debe acentuarse la búsqueda de métodos más eficientes para el tratamiento, evacuación y reutilización de fangos. Puntos a destacar 1.
El objetivo del tratamiento secundario es eliminar la materia orgánica biodegradable no sedimentable junto a otros contaminantes.
2.
Este tratamiento consiste en provocar el crecimiento de microorganismos que asimilan la materia orgánica, transformándola en nuevos microorganismos insolubles que después son separados del agua residual por sedimentación.
3.
Los tratamientos secundarios se subdividen en: Tratamientos Biológicos de Tipo Natural y Tratamientos Biológicos de Instalación.
4.
Tratamientos Biológicos de Tipo Natural en Lagunas de Aireación: tratamiento secundario aerobio de mezcla completa. La laguna de aireación se excava
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Tratamiento de aguas residuales directamente en el terreno y es de poca profundidad, suministrándose el oxígeno, normalmente, mediante ventiladores de superficie. 5.
Tratamientos Biológicos de Tipo Natural en Lagunas de Estabilización: en este caso el tratamiento secundario se realiza en grandes embalses de hasta 5 m de profundidad, en los cuales pueden desarrollarse tanto procesos aerobios (en las zonas próximas a la superficie) como anaerobios (en zonas más profundas) de depuración biológica.
6.
Tratamientos Biológicos de Instalación por Sistemas de Biomasa Suspendida. En ellos los microorganismos se hallan dispersos por todo el volumen del reactor biológico. a) El tratamiento secundario aerobio de biomasa suspendida es el de Fangos Activos, un reactor aerobio alimentado con el influente a tratar y que contiene una población bacteriana heterogénea. b) Los procesos anaerobios de biomasa suspendida son los Sistemas Anaerobios de Mezcla Completa, en los que la digestión anaerobia se realiza en un tanque cerrado donde el agua residual es mezclada mecánicamente por reactores que favorecen la formación de agregados de bacterias que se mantienen en suspensión.
7.
Tratamientos Biológicos de Instalación por Sistemas de Biomasa Fija. En ellos los microorganismos se encuentran retenidos sobre algún soporte sólido. a) Como sistemas aerobios de biomasa fija se emplean los Filtros Percoladores, constituidos por un lecho de grava o piezas de plástico donde se adhieren las bacterias y través del cual se hace circular el agua residual a tratar; y los Biodiscos son discos con un material de relleno sobre el que se adhieren los microorganismos, y que giran sumergiéndose parcialmente en el agua residual a depurar. b) Como sistemas anaerobios de biomasa fija se emplean los Filtros Anaerobios, columna de relleno sobre la que se desarrollan y fijan las bacterias anaerobias, y a través de la cual se hace circular el agua residual; y el Lecho Fluidificado, un reactor relleno parcialmente de biopartículas en estado fluidificado, por el cual circula en flujo ascendente el agua residual.
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Tratamiento de aguas residuales 8.
Durante todos los procesos de depuración de las aguas residuales que se han citado se generan tres tipos de residuos: a) Sólidos gruesos que normalmente se obtienen en los pretratamientos y suelen incinerarse o enviarse a vertederos. b) Lodos de tratamientos primarios. c) Lodos de tratamientos secundarios.
9.
Existen diferentes sistemas de depuración de lodos, todos los cuales buscan disminuir su volumen (deshidratación) y evaluar la posibilidad de recuperar alguno de sus componentes o su reutilización.
10. Los procesos que habitualmente constituyen el tratamiento de los lodos son: a) Tratamientos Preliminares, encaminados a obtener un compuesto relativamente homogéneo y en cantidad constante. b) Espesamiento, proceso de concentración de fango a fin de eliminar la mayor parte posible de agua y reducir, de esta manera, el volumen de fango. Esta concentración suele realizarse por métodos físicos (flotación, centrifugación, filtración y sedimentación). c) Estabilización, con ella el fango pierde sus características de putrescibilidad, se eliminan malos olores e inconvenientes sanitarios. La estabilización se realiza mediante procedimientos de digestión anaerobia o aerobia, o con tratamientos químicos o térmicos. d) Deshidratación, proceso final de reducción del contenido de agua del fango, y normalmente se realiza por filtración o centrifugación; en ocasiones tras la deshidratación se procede al Secado Térmico de los fangos para reducir aún más su contenido en humedad. 11. Los fangos, una vez depurados, se envían a un destino final que puede ser: a) Eliminación del Fango (incineración o envío a vertederos). b) Reutilización del Fango (uso agrícola de los fangos).
5 Tratamiento terciario
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Tratamiento de aguas residuales Los procesos de tratamiento biológicos anaerobios o aerobios de las aguas residuales han sido desarrollados para eliminar sustancias orgánicas biodegradables y compuestos inorgánicos oxidables. El tratamiento terciario, definido como cualquier práctica más allá de los procesos secundarios, está diseñado para retirar los contaminantes orgánicos no biodegradables y nutrientes minerales, especialmente nitrógeno y sales de fósforo, que todavía restan en suspensión o disueltos en el agua residual tras el tratamiento biológico. Todo ello produce un incremento de las posibilidades de reutilización de los fangos.
5.1
Eliminación de contaminantes no biodegradables
La separación de compuestos como clorofenoles y otros contaminantes sintéticos cada vez más numerosos, necesaria para reducir a niveles aceptables la toxicidad de la aguas residuales efluentes, se realiza, normalmente, con filtros de carbón activo. El carbón activo se caracteriza por su capacidad de adsorción de casi todas las sustancias orgánicas y de componentes residuales inorgánicos como nitrógeno, sulfuros y metales pesados. La adsorción es un proceso consistente en la retención sobre la superficie de un sólido, denominado adsorbente o sorbente, de un soluto, denominado adsorbato o sorbato y que, normalmente, es un contaminante contenido en un fluido. Esta retención puede ser, como sucede con el carbón activo, por mecanismos físicos, típicamente mediante Fuerzas de Van der Waals, en cuyo caso cabe la posibilidad de regenerar el adsorbente, o por mecanismos químicos por reacción entre el adsorbato y puntos específicos activos del adsorbente, llamados puntos de adsorción (en la adsorción física la retención del soluto puede ser en cualquier punto de la superficie del sorbente), siendo éste normalmente un proceso irreversible. Se requiere haber sometido el agua residual a tratamiento secundario para evitar sobrecargar los filtros de carbón activo con materiales biodegradables, así como a un filtrado previo para retener los sólidos en suspensión que aún pueda contener el efluente secundario y que podrían formar depósitos sobre el carbón, provocando pérdidas de presión, obturación del filtro y disminución de la capacidad adsorbente.
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Tratamiento de aguas residuales
Este filtrado se suele realizar con filtros granulares, con un lecho filtrante normalmente de arena, grava, antracita o tierra de diatomeas (figuras 46 y 47). Este tipo de filtros también se emplean como último tratamiento del agua, antes de ser canalizada hacia su destino, con la finalidad de eliminar los sólidos finos en suspensión que permanecen tras el proceso de depuración.
Figura 45.- Vista externa de un filtro de arena. Fuente: catálogo Sernagiotto.
Figura 46.- Filtros de arena. Esquema de funcionamiento de un filtro de arena a presión atmosférica. Fuente: adaptado de "Técnicas de defensa del medio ambiente".
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Tratamiento de aguas residuales Los filtros de carbón activo, además de emplearse para eliminar la materia orgánica residual tras el tratamiento biológico, pueden ser usados para eliminar sabores y olores (por ejemplo retienen los compuestos organoclorados, resultantes de la desinfección, responsables del sabor "a cloro" tan característico de las aguas potabilizadas) o como tratamiento previo al biológico para eliminar toxinas, como por ejemplo detergentes, que dificultarían el desarrollo de éste. Existen dos alternativas en el uso del carbón activo: 1. Procedimiento en Discontinuo o Discreto. Se emplea carbón activo en polvo fino que se adiciona por la parte superior de la columna de tratamiento, alimentándose el influente a contracorriente. Se deja en reposo para que vaya sedimentando el carbón y el agua tratada se extrae y filtra, por un filtro granular, para separar las finas partículas de carbón que puede arrastrar el efluente, en otros casos se adiciona un coagulante. Es una alternativa poco extendida pues no permite reutilizar el carbón ya que no se conoce bien el método de regeneración del carbón activo en polvo. Un uso similar al descrito es la adición directa, también de carbón activo en polvo fino, al influente del tratamiento biológico. De esta manera, oxidación biológica y adsorción física se desarrollan a la vez. El carbón es eliminado posteriormente por filtración. 2. Procedimiento en Continuo. Típicamente se trabaja con varias columnas de carbón activo granular dispuestas en serie, para conseguir un tratamiento más económico, a través de las cuales se hace circular el agua residual. Lo usual es disponer de una columna de reserva, idéntica a las restantes, que se coloca a continuación de la última de las columnas; cuando la primera columna de la serie se ha agotado (se agota cuando el efluente sale del filtro de carbón prácticamente con la misma DQO con la que había entrado) se retira del proceso para proceder a su regeneración. Dentro del procedimiento en continuo existen dos variantes: •
Columnas de Lecho Fijo. Son las más extendidas. En ellas habitualmente se trabaja con flujo descendente de agua residual, lo que permite que puedan realizarse, de manera simultánea, la adsorción de compuestos orgánicos y la filtración de los sólidos en suspensión, con la consiguiente eliminación del paso previo de filtrado del influente, aunque ello produce un más rápido
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Tratamiento de aguas residuales agotamiento de las columnas y, por lo tanto, un decrecimiento en la vida útil •
del carbón. Columnas de Lecho Móvil. En este caso el líquido se mueve desde la base de la columna hacia arriba, ello produce la expansión del lecho de carbón en el seno de la columna y una mayor presencia de finas partículas de carbón en el influente.
Figura 47.- Vista de un horno de regeneración de carbón activo en la planta de tratamiento de aguas residuales de Sant Joan Despí (Barcelona). Fuente: Aguas de Barcelona. El carbón activo cuando se agota puede ser regenerado en la propia depuradora, mediante un horno que trabaja a alta temperatura pero con bajo contenido de oxígeno (figura 48). En este horno se oxida la materia orgánica, que abandona así la superficie del carbón. Con la regeneración se consigue que se pueda reutilizar el carbón durante varios ciclos, siendo necesario reponer únicamente las pérdidas (que suelen estar entre el 5 y el 10%), aunque la eliminación del adsorbato no es total y, por consiguiente, no se recupera adsorbente puro.
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Tratamiento de aguas residuales 5.2
Eliminación de nutrientes
Nitrógeno y fósforo son los principales nutrientes a considerar en las descargas de las aguas residuales tratadas en los ecosistemas acuáticos, ya que pueden acelerar el proceso de eutrofización. El proceso de la eutrofización se basa en que el exceso de estos nutrientes en un ecosistema acuático (normalmente lagos), provocado por la descarga de efluentes o drenajes agrícolas, dispara una explosiva proliferación de algas. Sin embargo, y debido a una gran variedad de causas, entre las que se incluyen el sombreado mutuo, el consumo exhaustivo de micronutrientes, la presencia de productos tóxicos y/o poblaciones antagonistas y otros motivos desconocidos, la población de algas suele fracasar; la consecuencia es una descomposición de la biomasa álgica, mediante mecanismos heterotróficos, que termina con el oxígeno disuelto en el agua, provocando una importante mortandad de peces y unas condiciones insalubres. Aún cuando la eutrofización no llegase hasta los extremos descritos, los colchones de algas, la turbidez del agua, el cambio de color, los cambios en las poblaciones de peces, etc. representan variaciones indeseables. Varios tratamientos químicos, físicos y biológicos han sido empleados para limitar o controlar el contenido y forma de los nutrientes descargados. Los procesos más usados son la nitrificación biológica para oxidar y controlar el nitrógeno amoniacal, la denitrificación biológica para eliminar el nitrógeno y la precipitación química para retirar el fósforo. En los últimos años se han desarrollado algunos procesos biológicos para separar el fósforo solo o conjuntamente con el nitrógeno.
5.2.1 Eliminación del nitrógeno En los influentes urbanos, industriales y zootécnicos, el nitrógeno se encuentra prevalentemente bajo forma orgánica y como urea (CO(NH2)2); no obstante, ambas formas sufrirán, por descomposición bacteriana e hidrólisis, una transformación a nitrógeno amoniacal (NH3 y NH4+). De esta manera, la mayoría del nitrógeno del influente que llega a las planta de depuración es nitrógeno amoniacal, que puede seguir dos caminos: por un lado, ser asimilado por los microorganismos para incorporarlo a su masa celular, con formación de nuevo nitrógeno orgánico que, posteriormente con la muerte de la célula, retornará al
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Tratamiento de aguas residuales agua residual en forma amoniacal y, por otro lado, sufrir procesos de nitrificacióndenitrificación. El objetivo final de la nitrificación-denitrificación es la eliminación del nitrógeno en forma gaseosa. La nitrificación, que se desarrolla en dos etapas, es el primer paso en la eliminación del nitrógeno. En la primera etapa, se produce la oxidación del amoniaco en nitrito (NO 2-) y, en la segunda, se transforma el nitrito en nitrato (NO 3-). Se trata de un proceso autótrofo en el que las bacterias responsables del mismo - Nitrosomonas y Nitrobacterobtienen la energía que necesitan para sus funciones vitales de la oxidación de un compuesto inorgánico como el amoníaco, mejor que de la materia orgánica. Además, estas bacterias tampoco usan materia orgánica como fuente de carbono, sino que emplean el dióxido de carbono. Las reacciones simplificadas de ambas etapas se dan a continuación:
El consumo teórico de oxígeno del proceso global de nitrificación se cifra en 4,3 miligramos de oxígeno por cada miligramo de nitrógeno amoniacal oxidado. De hecho, los microorganismos nitrificadores están presentes en casi todos procesos biológicos aerobios, aunque normalmente en un número limitado por su baja velocidad de crecimiento, por lo que en ellos puede acontecer, de forma simultánea, la oxidación de la materia carbonatada (rebaja de la DBO y la DQO) junto con la nitrificación. Si bien con la nitrificación se rebaja la toxicidad del amonio para los peces y se disminuye el impacto en los recursos de oxígeno en arroyos y estuarios, no se resuelve el problema de la eutrofización, ya que el nitrógeno sigue presente en el efluente. Por este motivo debe complementarse el proceso con un sistema de denitrificación. La denitrificación consiste en una serie de reacciones en condiciones anóxicas (carencia de oxígeno) en la que el nitrógeno se va reduciendo de forma progresiva; de esta manera, el nitrato se reducirá de nuevo a nitrito, éste a óxido nítrico (NO), el cual se
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Tratamiento de aguas residuales reducirá, a su vez, a óxido nitroso (N2O) para, finalmente, producir nitrógeno gas (N2). Estos tres últimos gases se pueden liberar a la atmósfera. Según esta secuencia de reacciones, todas las bacterias denitrificantes pueden emplear los nitritos, en vez de los nitratos, como aceptores finales de electrones, obteniendo siempre nitrógeno gas como producto final. De esta manera, se puede eliminar más del 90% del nitrógeno total presente en el agua residual, frente al 10-40% de los sistemas biológicos clásicos logrado por los fenómenos de biofloculación y síntesis bacteriana. La denitrificación se lleva a cabo por bacterias heterotróficas facultativas pertenecientes a numerosos géneros (Pseudomonas, Micrococcus, Archronobacter, Bacillus , etc.). Estos microorganismos,
normalmente
abundantes
en
los
tratamientos
biológicos
convencionales en condiciones anóxicas, pueden utilizar los nitratos en lugar del oxígeno como aceptor final de electrones en los procesos catabólicos de obtención de energía, y producir N2 como catabolito gaseoso. Por otro lado, para la síntesis celular anaerobia, se hace indispensable un cierto contenido de carbono del que carece el efluente, ya que la materia orgánica se ha consumido en el previo proceso de nitrificación y reducción de la DBO: por ello, se necesita adicionar una fuente externa de carbono como metanol o sacarosa. Esquemáticamente el proceso de denitrificación es como sigue: CxHyOz + NO 3-
N2
+ CO 2 + H 2O + Energía
Frente a los proceso físicos y químicos de eliminación de nitrógeno, son los métodos biológicos de nitrificación/denitrificación los más adecuados porque permiten eliminar la mayor parte del nitrógeno total y, además, son relativamente fáciles de controlar y tienen un coste moderado. No necesariamente se debe realizar en primer lugar la nitrificación y luego la denitrificación. En la práctica, lo más habitual es invertir el orden, ya que en estas condiciones existe un cierto nivel de materia orgánica para la síntesis celular anaerobia y, por tanto, no se haría tan necesaria la incorporación externa de una fuente de carbono, la cual encarece notablemente el tratamiento.
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Tratamiento de aguas residuales No obstante, sea cual sea la secuencia, se busca el desarrollo simultáneo del tratamiento secundario aerobio junto con la nitrificación. Para ello, el agua residual se somete a un proceso aerobio de fangos activos, durante el cual también se desarrolla la nitrificación (se debe asegurar una edad del fango lo suficientemente elevada como para evitar un lavado de las bacterias nitrificadoras motivado por su baja velocidad de crecimiento). Parte del efluente del reactor de fangos activos se recircula a un tanque anóxico de denitrificación donde se mezcla con agua residual aún no tratada biológicamente y que aporta la fuente de carbono necesaria. La fracción de efluente que no se recircula hasta el reactor anóxico abandona el proceso, tras ser sometida a una sedimentación secundaria, con la misma concentración en nitratos con que sale del tanque de fangos activos; por ello, la eficacia en la eliminación de nitrógeno que se logra con esta metodología de actuación, depende del rendimiento de la denitrificación de la relación recirculada., siendo lo normal eliminar el 60-80% del nitrógeno total. En el tanque anóxico se dispone de agitación mecánica para lograr que el nitrógeno atmosférico generado pase de la fase líquida a la fase gaseosa liberándose. Con esta agitación se puede incorporar oxígeno lo que constituye el problema más habitual de este diseño. Por otro lado, el estrés que provoca en los microorganismos el paso de unas condiciones aerobias a otras anóxicas provoca que éstos capten una gran cantidad de fósforo. En el caso de optar por nitrificar en primer lugar, a la salida del tratamiento biológico aerobio, donde simultáneamente también se habrá producido la nitrificación, se procede a la decantación de la totalidad del efluente que a continuación se conduce a un reactor anóxico donde, previa adición de una fuente de carbono, se desarrolla la denitrificación. Estos sistemas presentan como ventajas, respecto a los anteriores, que la denitrificación acontece más rápidamente y que permite un mayor nivel de eliminación de nitrógeno.
5.2.2 Eliminación del fósforo Normalmente, alrededor del 10% del fósforo total contenido en las aguas residuales está presente en formas insolubles. Este fósforo se separa en los primeros pasos de
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Tratamiento de aguas residuales depuración, mientras que la reducción del fósforo restante es mínima en los procesos biológicos convencionales. La eliminación del fósforo puede hacerse por vía química, biológica o física. Cuando se requieren muy bajos niveles de fósforo (inferiores a 1 mg/l) se emplea la filtración en combinación con procesos químicos o biológicos.
Eliminación del fósforo por vía química Se trabaja con precipitación química, para lo cual normalmente se adiciona al agua residual aluminato sódico o cloruro férrico. También se emplea, aunque con menor frecuencia, sulfato férrico, cal e incluso en ocasiones se han usado, con buenos resultados, polímeros conjuntamente con cal. Esta precipitación puede realizarse como parte integral de la sedimentación primaria o secundaria, o como un proceso aparte, posterior a la sedimentación secundaria, en cuyo caso el agente precipitado puede ser reciclado. Las reacciones de precipitación que describen estos procesos son: •
Para la cal (Ca(OH) 2):
El escaso uso de la cal en la precipitación del fósforo se debe a que origina un incremento substancial en la masa de fango en comparación con el uso de sales metálicas de hierro y de aluminio. Por otro lado, la cal reacciona, en primer lugar, con el bicarbonato presente en el agua residual para formar un precipitado de CaCO3. Únicamente el exceso de iones de calcio reacciona con el fósforo. Por este motivo, la dosificación depende, primordialmente, de la alcalinidad del influente y no del contenido en fósforo. Para determinar la dosificación óptima de la cal se debe recurrir a ensayos "in situ".
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Tratamiento de aguas residuales
•
Para el aluminato sódico (Na2Al2O4):.
•
Para las sales férricas (FeCl 3; Fe2(SO4)3):.
La dosificación de las sales de aluminio o hierro se hace en base a ensayos a escala previos, ya que existen múltiples reacciones secundarias que compiten con las descritas. Por este motivo, no se puede dosificar por estimación directa, considerando, exclusivamente, las dos reacciones enunciadas.
Eliminación del fósforo por vía biológica Se trabaja con métodos basados en el estresamiento de un grupo de microorganismos (primordialmente Acinetobacter, pero también Pseudomonas, Aeromonas, Enterobacter, etc.) capaces de acumular, en su medio interno celular, una cantidad de fósforo sensiblemente mayor del que requieren para su crecimiento normal. Para lograr el estresamiento de estas bacterias se las somete a unas condiciones iniciales de anaerobiosis, en las cuales liberan fósforo al medio, seguidas de un paso a condiciones aerobias, donde se verifica una acumulación celular de fósforo superior a la cantidad del mismo inicial liberada y, por tanto, superior a las exigencias efectivas metabólicas. El fenómeno descrito es consecuencia de un comportamiento metabólico característico de estos microorganismos consistente en el hecho de que, si bien necesitan oxígeno para respirar (todas son bacterias aerobias), prefieren, como fuente de carbono, compuestos de bajo peso molecular (etanol, acetato, etc.) que difícilmente están presentes en una adecuada concentración en ambiente aerobio ya que son compuestos comúnmente producidos en procesos de fermentación y, por consiguiente, en condiciones anaerobias. Por este motivo, cuando se somete a estos microorganismos a condiciones cíclicas de aerobiosis/anaerobiosis adoptan una estrategia consistente en acumular substrato, sin © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales metabolizarlo, en el interior de las células cuando se encuentran en ambiente anaerobio, mientras que el proceso de respiración celular se efectúa durante la fase aerobia. Para poder actuar de esta manera las bacterias emplean como fuente de energía, en los períodos anaerobios, polifosfatos acumulados en las células en la fase oxidativa gracias a una asimilación de fósforo inorgánico del medio externo celular superior a las exigencias metabólicas normales. En los últimos años se han desarrollado varios procesos biológicos para eliminar conjuntamente nitrógeno y fósforo. Muchos de ellos son distintas variantes del sistema de fangos activos pero empleando una combinación de zonas, o reactores, anaerobia, anóxica y aerobia, seguidas de un único sedimentador por lo que el mismo fango interviene en diferentes momentos en la eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo (figura 49).
Figura 48.- Esquema del proceso de eliminación biológica del fósforo y del nitrógeno. Fuente: elaboración propia. En estos sistemas se comienza mezclando, en condiciones anaerobias, el fango recirculado proveniente del sedimentador (en algunas variantes el fango recirculado se incorpora a la zona anóxica y una parte de éste se recircula a la anaerobia) y el influente a tratar. El fango libera el exceso de fósforo que ha absorbido en la zona aerobia. A continuación, se pasa al reactor anóxico donde se mezcla con el flujo recirculado del reactor aerobio que será rico en nitratos. En esta etapa anóxica acontece la denitrificación y, simultáneamente, hay una remoción de materia orgánica. © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales
Finalmente, se pasa al reactor aerobio donde se completa la eliminación de la materia carbonatada y también se desarrollan los procesos de absorción del fósforo por el fango y de nitrificación. Una parte importante del efluente aireado retorna a la zona anóxica intermedia de denitrificación, para lograr remover los nitratos. El resto del efluente va al sedimentador, donde se separan fase acuosa y fango de recirculación, que es conducido al estadio anaerobio donde se da la liberación de fósforo. Un fango que haya efectuado una buena liberación de fósforo acumulará, de forma bastante rápida, fosfatos durante la fase de aireación dejando en solución, en muchos casos, sólo trazas de ellos. Con el proceso descrito se puede obtener un efluente que contenga 0,5-2 mg/l de fósforo total, mientras que el fango presentará un contenido de fósforo del orden del 4-5%.
Eliminación del fósforo por vía física Tanto la Ultrafiltración como la Ósmosis Inversa son efectivas en la reducción de fósforo. Aunque estos dos procesos se emplean más para la reducción del contenido total de sólidos inorgánicos disueltos. Cuando se tienen dos soluciones en reposo de distinta concentración, comunicadas por una membrana semipermeable que permita el paso del solvente pero no del soluto, se produce una circulación de solvente a través de la membrana desde la solución más diluida a la más concentrada que tiende a igualar ambas concentraciones. El fenómeno descrito se denomina Ósmosis. Como resultado del paso del solvente, el volumen de la solución más concentrada aumenta, y en consecuencia también la presión ejercida por ésta sobre la membrana, hasta que se llega al punto de equilibrio. El incremento de presión resultante recibe el nombre de Presión Osmótica. Si sobre la solución concentrada se aplica una presión mayor a la osmótica se consigue que la circulación de solvente sea desde la fase más concentrada a la más diluida. Este es el fundamento tanto de la ósmosis inversa como de la ultrafiltración, que se diferencian entre sí en las presiones de trabajo, ya que mientras en la ultrafiltración se
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Tratamiento de aguas residuales emplean presiones relativamente bajas (normalmente inferiores a 1.000 kN/m2) en la ósmosis inversa se usan presiones que van desde la atmosférica hasta 6.900 kN/m 2. La ultrafiltración se suele emplear para eliminar materia coloidal y moléculas de gran tamaño (con peso molecular superior a 5.000 uma), por lo que se destina para: •
Eliminar aceites en cursos de agua.
•
Eliminar la turbidez provocada por los coloides causantes del color.
•
También es posible su uso como proceso unitario para la eliminación del fósforo.
En cuanto a la ósmosis inversa, es posible separar, con esta técnica, la materia orgánica disuelta que no es posible eliminar con otras técnicas de desmineralización. Sin embargo, el tratamiento por ósmosis inversa presenta como inconveniente su coste elevado ya que, aparte del consumo energético que supone el bombeo a alta presión, el influente debe ser tratado previamente a fin de eliminar los sólidos en suspensión que pudieran contaminar las membranas, por lo que suele ser necesario hacer un pretratamiento del efluente secundario por decantación química y filtración con medio múltiple o por filtración con medio múltiple y ultrafiltración. Además la vida de las membranas (habitualmente son de acetato de celulosa o de nylon) es relativamente corta y su precio alto. Todo ello, unido a la poca experiencia en su aplicación sobre aguas residuales, hace que la ósmosis inversa se aplique sólo cuando exista un componente contaminante de difícil eliminación por los métodos convencionales, o cuando sea viable (técnica y económicamente) la recuperación de las sustancias contenidas en el concentrado. Puntos a destacar 1. El objetivo de los tratamientos terciarios es eliminar los contaminantes orgánicos no biodegradables y algunos nutrientes minerales solubles (especialmente nitrógeno y sales de fósforo). 2. Se deben eliminar toda una serie e contaminantes sintéticos no biodegradables para reducir los niveles de toxicidad de las aguas residuales efluentes. Para ello normalmente se recurre a la adsorción de estos compuestos en filtros de carbón activo.
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Tratamiento de aguas residuales 3. En cuanto a la eliminación del nitrógeno se recurre a la combinación de dos procesos biológicos, a saber que la Nitrificación permite controlar el contenido en nitrógeno amoniacal del agua residual al oxidarlo a nitratos y nitritos, en cambio la denitrificación permite eliminar el nitrógeno por conversión de los nitratos y nitritos a nitrógeno molecular gaseoso. 4. Para remover las formas solubles de fósforo contenidas en las aguas residuales se recurre, de manera habitual a la precipitación química.
6 Desinfección El proceso de desinfección se realiza para eliminar los microorganismos patógenos que puedan haber en el agua que ha sido sometida a los tratamientos primarios y/o secundarios. La desinfección se aplica en potabilización y antes del vertido de las aguas depuradas en corrientes especialmente sensibles a la presencia de microorganismos (aguas de baño y algunas aguas de riego). Desde un punto de vista general, un buen proceso de desinfección debe inactivar en el menor tiempo posible prácticamente todos los agente patógenos usando bajas dosis y sin formar residuos o subproductos potencialmente dañinos para las aguas receptoras finales. Los desinfectantes de uso común en el tratamiento de las aguas pueden clasificarse en: •
Desinfectantes Químicos. Se emplea cloro en varias formas (cloro gas; hipoclorito, dióxido de cloro), ozono, ácido peracético, etc.
•
Desinfectantes Físicos. En la práctica dentro de este grupo se encuentran sólo los rayos ultravioletas (UV), aunque se han realizado pruebas con otros métodos.
Si bien todos los métodos de desinfección señalados son aplicados en la desinfección de los efluentes depurados, debe indicarse que es la cloración con hipoclorito el sistema más difundido, con independencia de las dimensiones de las plantas de tratamiento y de las condiciones de funcionamiento.
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Tratamiento de aguas residuales De hecho, se considera que las desinfecciones mediante dióxido de cloro y mediante ozono no son adecuadas en pequeñas plantas de depuración, pues requieren de un mayor personal especializado y de una fuerte vigilancia en su uso. Algo parecido ocurre con el cloro gaseoso que es de manejo peligroso y exige unas instalaciones adecuadas. Por ello, y desde un punto de vista económico, los rayos UV parecen ser la primera alternativa a la cloración simple, esto es, sin decloración posterior para evitar efectos tóxicos en el medio receptor de un exceso de cloro activo (operación que, en muchos casos, anula la ventaja económica de la cloración). ORGANISMO
ENFERMEDADES PROVOCADAS Bacterias
Salmonella (1.700 tipos aprox). Shigella (4 especies). E. Coli. (tipo entero-patógenos).
Salmonelosis, fiebres tifoideas, etc. Sigelosis disentería bacilar. Gastroenteritis.
Virus entéricos Rotavirus Enterovirus (67 tipos).
Gastroenteritis. Gastroenteritis: anomalías cardíacas,
Parvovirus (al menos 2 tipos). Hepatitis A. Adenovirus.
meningitis, etc. Gastroenteritis. Hepatitis infecciosa. Enfermedades respiratorias: conjuntivitis, etc. Protozoos
Balantidium Coli Entamoeba hystolytica. Giardia lamblia.
Balantidiosis. Amebiasis o disentería amebiana. Giardiasis. Otros
Nemátodos (10 tipos aprox.). Cestodes (4 tipos aprox.).
Ascaridiosis, trichuriasis, etc. Teniasis, equinococosis, etc.
Tabla 5.- Ejemplos de organismos de interés higiénico, que pueden estar presentes en las aguas y enfermedades que pueden provocar de estar en condiciones y concentraciones adecuadas.
6.1
Desinfectantes químicos
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Tratamiento de aguas residuales Nos centraremos en la cloración y en la ozonización. Otra posibilidad es el uso de ácido peracético pero su utilización es, hasta ahora, marginal, por lo que no se dispone de muchos datos.
6.1.1 Cloración El cloro (Cl2) es un gas tóxico (sofocante) de color amarillo/verdoso, fácilmente identificable por su olor, muy irritante e insoluble en agua y que se utiliza para la desinfección de las aguas bajo diferentes formas químicas: cloro gaseoso, hipoclorito sódico o dióxido de cloro. Cuando el cloro (o uno de sus compuestos) se libera en agua, se hidroliza rápidamente:
El ácido hipocloroso (HClO) a su vez se ioniza, formándose iones hidrógeno e iones hipoclorito:
El equilibrio de esta última reacción se desplaza según sea el pH del agua. Así, a pH algo superior a 5, el cloro está todo bajo forma de ácido hipocloroso, mientras que a pH de 7,4 la solución contiene igual cantidad de ácido hipocloroso que de iones hipoclorito. Ya se ha mencionado que la situación más común es que el cloro se adicione como hipoclorito, normalmente sódico, siendo en este caso la reacción de hidrólisis con formación de ácido hipocloroso como sigue:
En cualquier caso, la suma [ClO-] + [HClO] define la cantidad de " Cloro Residual Libre". La eficacia desinfectante del HClO es 40-80 veces mayor que la del ClO-. Si bien todavía no está muy clara su forma de actuación, se sabe que ésta implica la inhibición de las
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Tratamiento de aguas residuales enzimas esenciales del metabolismo celular y la destrucción de constituyentes celulares. A pesar de su amplio espectro de actuación, son poco efectivos frente a esporas, micobacterias y virus. El cloro posee una elevada actividad química por lo que, más allá de las reacciones de hidrólisis descritas, su introducción en el agua produce un complejo sistema de reacciones que afectan tanto a la fracción orgánica como a la inorgánica. Inicialmente todo el cloro adicionado es rápidamente consumido por materia orgánica (reacción no reversible), a continuación se inicia la reacción con el nitrógeno amoniacal con formación de cloraminas según las reacciones:
En este caso la suma [NH 2Cl] + [NHCl2] define la cantidad de " Cloro Residual Combinado" (a pH 8 el NCl3 está ausente) que, unido al cloro residual libre, determina el
contenido de "Cloro Residual" que es el que asegura la desinfección. Si se sigue adicionando cloro, éste reacciona destruyendo las cloraminas (son clorocompuestos inestables), según las reacciones:
Hasta llegar a un punto de mínima concentración de cloro residual (Punto de Ruptura o "break point") donde sólo hay compuestos de cloro estables pero no activos. Cualquier adición posterior de cloro origina un incremento equivalente del cloro residual, como cloro residual libre (figura 50):
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 49.- Evolución del Cloro Residual en función de la dosis de Cloro. Fuente: elaboración propia. En las instalaciones normales de depuración se suele trabajar en condiciones alejadas del punto de ruptura. En esta situación las cloraminas formadas son luego, aunque con lentitud (motivo por el cual los tiempos de contacto se sitúan en 40-60 minutos), parcialmente hidrolizadas, originando de nuevo HClO, con efecto desinfectante, el cual permite mantener la desinfección más allá de la planta de tratamiento. Sin embargo, las cloraminas que resten pueden tener efecto tóxico en la flora y fauna del medio receptor y sobre la salud humana, motivo por el cual se procede a la decloración, que consiste en eliminar el cloro residual combinado. + La decloración se efectúa adicionando sustancias reductoras como anhídrido sulfuroso, el sulfito de sodio, el biosulfito de sodio, o bien mediante adsorción sobre carbón activo. La reacción del sulfuroso (seguramente el declorante más empleado) con las cloraminas es como sigue:
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Tratamiento de aguas residuales Esta reacción es muy rápida por lo que pocos minutos de mezcla y contacto son suficientes.
Dosaje y contacto Ya se ha hecho referencia a que el hipoclorito sódico es el producto de uso más extendido en el proceso de cloración. Normalmente, se encuentra disponible en el mercado en forma de solución. Como norma, sobre el agua ya depurada biológicamente, las concentraciones de cloro activo usadas son inferiores a 10 mg/l, siempre que el tiempo de contacto sea superior a 30 minutos (con un valor aconsejable de 60 minutos). Para la mezcla de agua e hipoclorito, es recomendable prever una operación específica de mezclado rápido antes de pasar al embalse de contacto del tipo canal, con pocas inversiones del flujo de 180º (figura 51) y dimensiones adecuados para no superar una velocidad de circulación de 5 cm/s.
Figura 50.- Ejemplo de embalse de contacto para la cloración. Fuente: adaptado de reseña bibliográfica nº 6. Finalmente, mencionar que el conocido sabor residual que deja en las aguas es resultado de la formación de los compuestos organoclorados que se han ido enumerando.
6.1.2 Ozonización La ozonización es una técnica de desinfección más reciente que la cloración. El ozono es un gas de más complicado manejo que el cloro ya que es inestable (por ello debe
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Tratamiento de aguas residuales producirse en el propio lugar de utilización) y además es más caro. Su acción desinfectante es comparable a la del cloro, siendo incluso más eficaz que éste con los virus y esporas. El ozono es un oxidante muy enérgico, incluso más que el cloro, de acción independiente del pH por lo que se puede usar para destruir compuestos orgánicos, como por ejemplo fenoles sin formar compuestos intermedios indeseables (el ozono no forma subproductos en sus reacciones por lo que no deja sabores) y considerar la desinfección como un beneficio adicional ya que su tiempo de residencia en el agua es mucho menor que el del cloro (no deja un grado de desinfección residual) por lo que se deberá prevenir una posible contaminación posterior de las aguas tratadas en los casos en que éstas se destinen al consumo. Reacción de los fenoles con el ozono (obsérvese que no hay formación de subproductos de reacción):
6.2
Desinfectantes físicos
Como desinfectante físico únicamente se comentará el uso de radiación ultravioleta, que se presenta como una buena alternativa a la cloración en las pequeñas plantas depuradoras. 6.2.1 Radiación ultravioleta La zona del espectro electromagnético con longitudes de onda comprendidas entre los 450 y los 15 nm corresponde a la llamada radiación ultravioleta (UV), aunque la longitud de onda más eficaz como biocida está alrededor de los 260 nm. Para obtener estas radiaciones se emplean habitualmente lámparas de vapor de mercurio, ya sea de baja o media presión, que reciben el nombre de "Lámparas Germicidas". Las de baja presión suministran la radiacción en un campo más específico de longitud de onda (alrededor del 85% de la radiación que emiten corresponde a una 8 de 254 nm) que las de media presión; pero ambas dan resultados análogos, ya que para longitudes de onda 8=240-280 nm y dosis de 1.000-6.000 mW/s·cm2 los rayos UV son capaces de dañar los ácido nucleicos celulares y matar a las bacterias, siendo las gram positivas más resistentes a los UV que las gram negativas, aunque son mucho más © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales resistentes las esporas (las esporas de bacterias necesitan 10 veces más dosis de radiacción), los hongos (50 veces más) y los virus (dosis entre 10 y 100 veces mayores). Una de las características de las radiaciones UV es su baja capacidad de penetración, por lo que el agua a tratar debe ser trasparente, sin turbidez y en circulación laminar. Por este motivo, la desinfección con rayos UV no es útil para grandes caudales, además que la posible presencia de sólidos suspendidos hace perder eficacia al tratamiento porque en su interior pueden "anidar" numerosas colonias de microorganismos, que quedan de esta manera protegidas de la irradación.
Figura 51.- Algunos esquemas de instalación de rayos UV. Fuente: adaptado de reseña bibliográfica nº 6. Los sistemas entubados (tubos de teflón) han sido los primeros en ser utilizados, pero recientemente han empezado a difundirse los de canales, sobre todo por la mayor simplicidad de uso. De hecho, la limpieza periódica de las lámparas se facilita en las instalaciones de canales ya que los "Paquetes-Lámpara" pueden extraerse en bloque y sumergirse en la solución de limpieza (ácido cítrico o fosfórico al 5%) sin tener que desmontar ni extraer cada lámpara simple. Puntos a destacar 1. La desinfección busca la eliminación de los microorganismos patógenos contenidos en el agua residual tras el tratamiento primario y/o secundario, cuando el efluente se va a abocar a una corriente de agua especialmente sensible a los microorganismos. © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales 2. Desinfectantes químicos. Normalmente se recurre a la cloración con hipoclorito sódico. Además, en algunas ocasiones, se emplean otras formas de cloro (cloro gas, dióxido de cloro), ozono, etc. 3. Desinfectantes físicos. Se está trabajando en el uso de rayos ultravioletas como alternativa a la cloración.
7
Ejemplos prácticos
7.1
Sistema de tratamiento de aguas de un núcleo urbano
A continuación se expone de forma esquemática el sistema de tratamiento de aguas de la ciudad de Lérida. Las instalaciones que se utilizan en cada una de las fases del tratamiento son: •
Pretratamiento:
•
Desbastador. Desarenador/desengrasador.
Tratamiento primario:
•
Poceta de recogida de sólidos.
Sedimentador primario.
Tratamiento secundario:
Tanques de aireación.
Sedimentador secundario.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 52.- Diagrama de flujo. Sistema de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Lérida. Fuente: elaboración propia.
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Tratamiento de aguas residuales
7.2
Ejemplo de dimensionado y cálculo de un sistema de depuración de aguas urbanas e industriales
A continuación se plantea el dimensionado de alguna de las operaciones más frecuentes para una planta depuradora ficticia que trata, conjuntamente, aguas residuales de origen doméstico y de origen industrial.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 53.- Pasos a seguir en el dimensionado del sistema de depuración de aguas residuales que se propone en este ejemplo. Supondremos que el origen de las aguas residuales se puede desglosar en los siguientes focos:
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Tratamiento de aguas residuales •
Doméstico: se trata de la planta depuradora de una localidad de 30.000
•
habitantes de población media y 40.000 habitantes de población máxima. Industrial: en el término municipal hay una bodega que vierte sus aguas residuales a la misma depuradora.
7.2.1 Cálculos previos
Caracterización de las aguas residuales 1.
Aguas residuales de origen doméstico en situación normal: Esta caracterización se realiza únicamente con los habitantes residentes (los valores adoptados son los típicos, según la bibliografía, de las aguas residuales domésticas). Población (aprox.).
30.000 habitantes.
Dotación hídrica per càpita.
200-300 l/día.
DBO5 por persona.
75 g/día.
DQO por persona.
150 g/día.
Sólidos en Suspensión (SS) por persona.
60 g/día.
N2 por persona.
12 g/día
Fósforo total (P).
3 g/día.
Aceites y grasas por persona (ac. y g).
30 g/día.
Con los valores anteriormente supuestos se realiza el cálculo del caudal total de influente y de su carga contaminante, multiplicando los valores por el número de habitantes en situación normal y ajustando las unidades. 2.
Aguas residuales de origen doméstico en situación de carga máxima: En los cálculos se incluye la población de residentes, los trabajadores temporales y los turistas: Población
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40.000 habitantes
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Tratamiento de aguas residuales (aprox.). Caudal total.
Carga contaminante
3.
12.000 m3/día. 3.000 kg DBO5/día. 6.000 kg DQO/día. 2.400 kg SS/día. 480 kg N2 /día. 120 kg P/día. 1.200 kg ac. y g./día.
Aguas residuales de origen industrial en situación de carga máxima: se considera la época en la que las industrias de la localidad están en plena producción. Como que se trata de una bodega, se considera la época de vendimia porque ésta es, para este tipo de industria, la de mayor producción de agua residual y de un agua residual con una mayor carga contaminante: Producción media de campaña
448.000 Hl de vino.
Duración de la vendimia
40 días.
Producción diaria
11.200 Hl de vino/día
Caudal de aguas residuales
1,5 l A.R./l vino. 3.095 mg DBO5 /l
Carga contaminante media de una bodega
9.000 mg DQO/l. 1.500 mg SS/l.
Con estos datos podemos calcular el caudal y la carga contaminante del agua residual que generará nuestra bodega.
Multiplicando este caudal por los valores de la carga contaminante media de una bodega y ajustando las unidades, obtenemos la carga contaminante del efluente de nuestra bodega. Caudal de aguas residuales
1.680 m3 /día. 5.200 kg DBO5 /día. 15.120 kg DQO/día.
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Tratamiento de aguas residuales Carga contaminante.
2.520 kg SS/día.
Cálculo del volumen total de influente y de su carga contaminante Si tenemos en cuenta los datos anteriores podemos obtener el caudal de influente máximo a tratar (sumando los caudales máximos de influente de origen doméstico e industrial) y su carga contaminante (sumando los valores correspondientes): Caudal total de aguas residuales
13.680 m3 /día.
Caudal medio por hora (Q24)1.
570 m3 /h .
Caudal Punta (Q24 x 2,75)2.
1.568 m3 /h
Carga contaminante.
14.000 kg DBO 20 /día. 8.200 kg DBO5 /día. 21.120 kg DQO/día. 4.920 kg SS/día.
1 Se supone que la planta depuradora funciona durante las 24 horas del día. 2 Para un Q24 de 570m3/h, la bibliografía consultada aconseja tomar 2,75 como factor de punta horaria. Para transformar la carga contaminante a unidades adecuadas, dividimos los valores entre el caudal y ajustamos las unidades: 600 mg DBO5 /l. Contaminación media que llegará a la
1.544 mg DQO/l. 360 mg SS/l.
instalación.
Características que debe tener el efluente según la legislación vigente Las características del efluente se ajustan a los niveles fijados en la Directiva del Consejo de la CEE de 21 de mayo de 1991 (91/271 CEE): DBO5 no superior a 25 mg/l.
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Tratamiento de aguas residuales SS no superior a 35 mg/l.
7.2.2 Dimensionado del desarenador-desengrasador En la depuradora supuesta, tras un inicial cribado, el influente pasa a un desarenador desengrasador.
Cálculo de las dimensiones del desarenador-desengrasador La carga hidráulica expresa el caudal de agua residual que puede atravesar una unidad de superficie y el tiempo de retención expresa el tiempo que permanece el agua residual en el desarenador-desengrasador. Para poder iniciar los cálculos adoptaremos unos valores que son considerados como típicos para estas magnitudes: A caudal medio (Q24)
A caudal punta (Qp)
Carga hidráulica
15 m3 /m2.h
24 m3 /m2.h
Tiempo de Retención
15 min
10 min
Se inicia el cálculo determinando la superficie horizontal (Sh)del desarenardesengrasador, considerando que es una unidad rectangular:
Figura 54.- Esquema del desarenador-desengrasador.
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Tratamiento de aguas residuales Como solución escogemos dos depósitos de 32,7 m2 de superficie horizontal (Sh) cada uno. Los valores típicos para desarenadores aireados, a los cuales se puede asimilar un desarenador-desengrasador aireado como el que estamos dimensionado, poseen una anchura entre 2,5 y 7 m y una longitud entre 7,5 y 20 m. Escogemos una longitud del canal (l) de 10 m, por lo que la anchura del canal (a) deberá ser de 3,3 m, ya que: a = Sh /l; a = 32,7 m2 /10m = 3,27 m, aproximadamente 3,3 m Por tanto, las dimensiones de estos depósitos son: Anchura del canal: a = 3,3 m Longitud del canal: l = 10,0 m A continuación calculamos el volumen unitario de cada uno de los desarenadoresdesengrasadores: V= Caudal circulante punta x Tiempo de retención punta;
Siendo el volumen de cada uno de los dos depósitos: 261,3 m3 /2 = 131 m3 /depósito. A partir de estos datos podemos calcular la altura (h) del depósito:
La profundidad de estas instalaciones se sitúa entre 2,5 y 5 m y la sección Transversal: St= a x h = 3,3m x 4m = 13,2 m 2
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 55.- Dimensiones del desarenador-desengrasador.
Cálculo de las necesidades de aireación del desarenador-desengrasador y del numero de difusores El suministro típico de aire en los desarenadores aireados es de 0,3 m3/m long. min. Por tanto, el caudal de aire a aportar es: 0,3 m3 /m long. min x 10 m long. = 3 m3 /min Este caudal equivale a 180 m3aire/h. Esta aireación se llevará a término con difusores no porosos de eje longitudinal, sumergidos dentro del desarenador y adosados a una de las paredes manteniéndose a una determinada profundidad bajo el agua (normalmente a 0,45-0,6 m por encima del plano normal del fondo). Su aportación de aire se fija en 15 m 3 /h (según la bibliografía este tipo de difusores dan caudales de entre 7 y 75 m3 /h.difusor), por lo que serán necesarios:
Si la longitud del desarenador es de 10 m, la separación de los difusores será de 0,83 m.
Cálculo del caudal de agua-arena a extraer del desarenador-desengrasador
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Tratamiento de aguas residuales En el puente móvil del desarenador-desengrasador se instala una bomba de succión de agua-arena. Para determinar la cantidad de arena extraída se acepta como valor típico 0,015 l de arena/m3. Si la concentración de arena de la mezcla arena-agua se estima en 0,5%, el caudal de aspiración para los distintos caudales de entrada es: Caudal Medio de agua-arena: 570 m3 /h x 0,015 l/m3 x (100/0,5) = 1.710 l/h Caudal Punta de agua-arena: 1.568 m3 /h x 0,015 l/m3 x (100/0,5) = 4.704 l/h
7.2.3 Cálculo del tratamiento de sedimentación primaria A
continuación
del
desarenador-desengrasador
se
sitúa
un
depósito
de
acumulación/homogeneización, seguido de un sedimentador primario, para continuar con el tratamiento biológico de fangos activos. Consideramos que el tratamiento de sedimentación primario comprende: •
Una reducción de entre el 25-40% de la DBO5; tomaremos como valor de cálculo un 30%, por lo que después del tratamiento primario el agua residual tendrá un
•
70% de la DBO5 inicial. Una reducción de un 50% (aproximadamente) del total de sólidos en suspensión.
Por lo tanto, la carga contaminante del efluente del tratamiento primario estará caracterizada por los siguientes valores: DBO5 : 600 mg/l x 0,7 = 420 mg/l (So). S.S.: 360 mg/l x 0,5 = 180 mg/l.
7.2.4 Cálculo del tratamiento de fangos activos Trabajaremos con reactores aerobios de fangos activos de mezcla completa porque presentan una digestión más rápida que los reactores de flujo de pistón, que son los otros reactores aerobios de fangos activos típicamente utilizados.
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 56.- Reactor aerobio de fangos activos de mezcla completa. Fuente: elaboración propia.
Cálculo de la eficacia del reactor La concentración normal de microorganismos en el interior de estos reactores es de 3.500 a 4.000 mgSSVR/l (donde SSVR son los sólidos en suspensión volátiles en el reactor, de los cuales aproximadamente un 65% son sustancias orgánicas y el resto son cenizas, no biodegradables). Nosotros tomaremos como valor de cálculo 3.750 mgSSVR/l (X) y consideramos que la concentración de sólidos en suspensión totales en el reactor (SSR) será de 4.500 mgSSR/l, ya que estos valores se consideran como típicos de estos procesos. El caudal a tratar es de 13.680 m 3 /d (12.000 m3 /d de aguas residuales urbanas más 1.680 m3 /d de aguas residuales industriales).
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Tratamiento de aguas residuales Figura 57.- Esquema de las entradas de sólidos solubles en el reactor de fangos activos. SS son los sólidos solubles del influente, SSR son los del reactor y SSF los del fango. Las siglas V y NV indican si son o no volátiles. Fuente: elaboración propia. Para poder efectuar los cálculos partiremos de las siguientes suposiciones: Consideramos que el contenido en sólidos en suspensión volátiles (SSV), es decir, de microorganismos, del influente es menospreciable (Xo=0) en comparación con el del reactor. •
En el reactor sabemos que en 4.500 mg/l de SSR hay 3.750mg/l de SSVR, es decir, un 83%, y esta misma proporción se mantendrá en los fangos de retorno.
Suponemos que la concentración en sólidos solubles del fango de retorno (SSF) es de 10.000 mgSSF/l, por lo que podemos calcular su contenido en sólidos solubles volátiles (SSVF) que será:
•
El tiempo de retención celular (Oc) es el cociente entre la masa de microorganismos del reactor y la masa de microorganismos purgada del sistema cada día. Se sitúa entre 3 y 15 días, por tanto, se tomará para el cálculo un valor de 10 días.
•
Suponemos que el contenido en nitrógeno, fósforo y otros nutrientes a nivel de trazas es suficiente para el crecimiento biológico.
•
Fijaremos la DBO5 del efluente en 20 mg/l (cumple la legislación por ser menor que 25mg/l). Esta carga de salida estará formada por:
DBO5 efluente = DBO5 soluble del influyente que escapa al tratamiento (S) + DBO5 debida a los microorganismos del reactor arrastrados por el efluente (Smicroorg).
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Tratamiento de aguas residuales
La presencia de esta carga en el efluente es debida al hecho de que ni el rendimiento del reactor ni el del sedimentador secundario, tienen una eficacia del 100%, por lo que en el efluente hay una parte de DBO no consumida y una parte de microrganismos o sólidos biológicos:
DBO5 no consumida, que escapa al tratamiento (S). Sólidos biológicos (Smicroorg): En un sedimentador secundario típico que funcione correctamente es inevitable que sean arrastrados con el efluente una cierta cantidad de sólidos biológicos (es decir, microorganismos).
Por ejemplo, si consideramos para nuestros cálculos que la DBO5 es de 20 mg/l y, además, tenemos en cuenta que sólo una parte de los microorganismos es biodegradable, y que éstos suponen un 65% del total, de la DBO5, quedará reducida al 65% de estos 20 mg/l, es decir, será de 13 mg/l. Por lo tanto, si consideramos que la DBO 5 del efluente tiene que ser de 20 mg/l (cumple la legislación por ser menor que 25mg/l): 20 mg/l = S + Smicroorg ; 20 mg/l = S + 13 mg/l ; S = 7 mg/l
Figura 58.- Esquema del tratamiento secundario con indicación de la DBO5 del agua residual a la entrada y a la salida del tratamiento. Fuente: elaboración propia. La eficacia (E) del reactor deberá ser:.
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Tratamiento de aguas residuales
La eficacia conjunta (Econ) de la planta de tratamiento:
Cálculo del volumen del reactor Se hará con las expresiones:
donde: •
Q = Caudal de agua residual a tratar (en m 3 /d).
•
X = Concentración de microorganismos en el interior del reactor (en mgSSVR/l).
•
Oc = Tiempo de retención celular (en días).
•
So= DBO5 del influente que entra en el tratamiento secundario (en mg/l).
•
S = DBO5 no consumida en el tratamiento secundario (en mg/l).
•
Y = Coeficiente máximo de crecimiento microbiótico en el reactor expresado como la relación de masa de células formadas y la masa de substrato consumido.
•
= Tiempo de retención hidráulica (en días).
•
Kd = Constante de muerte en reacciones cinéticas de primer orden (en días-1). Q
X
Oc
So
S
13.680 m3 /d
3.750mg/l
10 d
420 mg/l
7 mg/l
Los valores típicos de los coeficientes cinéticos son:
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Tratamiento de aguas residuales •
Y = Valores entre 0,4 y 0,8 mg SSVR/mgDBO5. Tomaremos como valor de 0,6
•
mgSSVR/mgDBO5. Kd = Valores de entre 0,04 y 0,075 d-1. Tomaremos un valor de 0,06 d-1.
Por tanto:
Al requerirse un volumen tan grande, lo haremos en varias unidades de tratamiento. Se ha escogido un sistema de 4 reactores de planta cuadrada de 1.450 m 3 de volumen cada uno (capacidad total de 5.800 m3, algo superior a los 5.650 m3 previstos, lo cual nos da un cierto margen de seguridad) que proponemos sean de 19,04 m x 19,04 m x 4 m (superficie horizontal de 362,5 m2).
Figura 59.- Tratamiento de fangos activos constituido por 4 reactores en paralelo. Fuente: elaboración propia.
Cálculo de la cantidad de fango a purgar Calcularemos, a continuación, la cantidad de fango a purgar diariamente (PSSF) con las ecuaciones cinéticas:
donde: Yobs = coeficiente observado de crecimiento microbiótico expresado como la relación de masa de cálculos formados y la masa de substrato consumido. Kd = constante de muerte en las reacciones cinéticas de primer orden (días -1). © Copyright. UPC plus - Todos los derechos reservados
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Tratamiento de aguas residuales Oc = tiempo de retención celular (en días). PSSVF = Yobs. Q (So - S). donde: Q = caudal de agua residual a tratar (en m 3 /d). So= DBO5 del influente que entra en el tratamiento secundario (en mg/l). S = DBO5 no consumida en el tratamiento secundario (en mg/l). PSSVF = cantidad de sólidos en suspensión volátiles a purgar diariamente (en kgSSVF/d).
Está Yobs también se mantendrá en el fango, por lo que se puede expresar como: Yobs = 0,375 mgSSVF/mgDBO5
Pero nosotros extraemos sólidos en suspensión totales y no sólo sólidos en suspensión volátiles (SSV), por lo que tenemos que calcular la cantidad de sólidos en suspensión totales a purgar diariamente (PSSF):
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Tratamiento de aguas residuales Calcularemos ahora el caudal de purga (Qw). En nuestra línea de tratamiento, la purga se hace desde la línea de retorno del fango:
donde: V = volumen necesario del reactor (en m3). Oc = Tiempo de retención celular (en días). X = Concentración de microorganismos en el interior del reactor (mgSSVR/l). Qe = caudal de agua de salida (en m3). Q = caudal que entra en el reactor (en m 3). Xe = concentración de microorganismos en el agua de salida: Xe = Smicroorg · Y = 13 mgDBO5 /l; 0,6 mgSSV/mgDBO5 = 7,8 mgSSV/l. Xr = contenido en sólidos en suspensión volátiles (SSVF) en fango de retorno (en mgSSVF/l).
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Tratamiento de aguas residuales
Figura 60.- Esquema de los caudales que entran y salen del tratamiento secundario. Fuente: elaboración propia. A continuación encontramos la relación de recirculación, que requiere hacer un balance de masa respecto al reactor en estado estacionario.
Para hacer este balance se parte de la base de que la masa que entra en el reactor en una unidad de tiempo, tiene que ser igual a la masa que sale de este reactor en esa unidad de tiempo. Para plantear los cálculos multiplicamos los caudales por la cantidad de microorganismos que entran y salen del reactor: Q · Xo + Qr · Xr = (Q + Qr)·X La concentración de microorganismos en el caudal de entrada la hemos considerado nula (Xo = 0), por tanto: Qr . Xr = (Q + Qr) . X
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Tratamiento de aguas residuales
Es decir, recircularemos el 82% del caudal de entrada (Q). Como que Q = 13.680 m 3 /d, el caudal del fango a recircular (Qr) será: Qr = 11.218 m 3 /d.
Cálculo del tiempo de retención hidráulico del fango Tiempo de retención hidráulico (O) :
Cálculo de la carga volumétrica del fango Carga volumétrica (CV) es la cantidad teórica de DBO5 que se registra en el fango por unidad de tiempo y de volumen:
Cálculo de la tasa específica de utilización del substrato del fango La tasa específica de utilización del substrato (U) es la cantidad real de DBO 5 que se registra en el fango por unidad de tiempo y en función de una cantidad determinada de microorganismos:
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Tratamiento de aguas residuales
Cálculo de la carga aplicada por unidad de biomasa del fango La carga aplicada por unidad de biomasa (F/M) es la cantidad teórica de DBO 5 que se registra en el fango por unidad de tiempo y en función de una cantidad determinada de microorganismos:
Cálculo de las necesidades de oxígeno y de aire en el reactor Oxígeno necesario Este cálculo está basado en la DBO última y sin considerar el O 2 necesario para la nitrificación:
Consideramos que el factor de conversión (f) para pasar el valor de la DBO 5 a DBO última es 0,68 (correspondiente a un valor de K de 0,1 d -1 en la ecuación de la DBO).
Requerimientos de O2 = 5.300 kg O2 /d. Cálculo del caudal de aire necesario
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Tratamiento de aguas residuales La eficacia en la transferencia de oxígeno de los equipos de aireación es baja (inferior al 10%). En este caso consideraremos que es de un 8%. Igualmente, se suele considerar un factor de seguridad de 2 para determinar el caudal real de proyecto en el dimensionado de los difusores. Consideramos que el aire contiene un 23,2% de O2 en peso y que la densidad del aire es de 1,201 kg/m3. El caudal teórico de aire necesario será:
El aire realmente necesario será:
es decir, 165 m3 aire /min. El aire necesario a efectos de proyecto será: 2 x 165 m3 aire/min = 330 m3 aire/min, es decir 475.200 m3 aire/d Por tanto: El aire necesario por unidad de volumen de agua residual será:
El aire necesario por kg de DBO5 real eliminada (So - S) será:
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Tratamiento de aguas residuales
Conclusión La solución propuesta consistirá en cuatro reactores de fangos activos de sección cuadrada de 1.450 m3 de volumen y 362,5 m2 de área cada una. En los reactores se mantendrá una concentración de 4,5 kgSSR/m3 con una carga de fango de 0,27 kgDBO5 /kgSSVR x d (carga volumétrica de 1,02 kgDBO5 /m3 x d). Las necesidades teóricas de aire (sin considerar las de la nitrificación) son de 19.022 m 3 aire/d que, en condiciones reales se espera llegar a los 330 m 3aire/min (475.200 m3 /d). Después de los reactores de fangos activos se sitúan los decantadores secundarios. Para proyectar la instalación de sedimentación sin disponer de ensayos de sedimentación, se recurre a la "Teoría del Flujo de Sólidos" que, además de muy empleada, es fiable.
Cálculo de la carga hidráulica superficial La Carga Hidráulica Superficial (CHS) expresa el caudal de agua residual que puede atravesar una unidad de superficie. Las cargas superficiales se basan normalmente en las condiciones de caudal punta (Qp) o en las del caudal medio (Q24) si hay depósito de homogeneización, tal como sucede en el ejemplo que estamos desarrollando (Q24= 570 m3 /h). En un proceso de fangos activos normal (sin aireación prolongada), el valor de la Carga Hidráulica Superficial para el caudal medio no debe superar el intervalo 16-32 m 3 /m2·d (equivalente a 0,7-1,3 m3 /m2.h). Como valor de cálculo tomaremos un valor conservador: 0,7 m3 /m2.h:
Donde:
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Tratamiento de aguas residuales Q24 = Caudal medio (en m3 /h). IVF = Índice Volumétrico Medio. Permite estimar las características de sedimentabilidad del fango. Se define como el volumen ocupado por un gramo de fango tras 30 minutos de sedimentación en un cilindro graduado de 1.000 ml. Su valor es característico y varía según la concentración de los sólidos en el líquido mezcla. Los valores observados en una planta determinada no deben compararse con otros valores mencionados en la bibliografía, a menos que se sepa que las condiciones de funcionamiento son semejantes. Sin embargo, como se debe adoptar algún valor, se considera que para fangos activos los IVF correctos son de 200-220 cm3 /g. Tomaremos un valor de 0,225 m3 /kg siguiendo con el criterio conservador adoptado. SSVR = Concentración del líquido de mezcla. Ya se ha definido, en el cálculo del reactor de fangos activos, que su valor es de 3.750 mg/l. S = Superficie del Decantador Secundario. Calculamos el valor de S:
Para adoptar números redondos tomaremos un decantador de 700 m2. Por tanto la Carga Hidráulica Superficial (CHS):
Cálculo de la carga de sólidos superficial
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Tratamiento de aguas residuales Carga de Sólidos Superficial (CSS) expresa la cantidad de sólidos que puede atravesar una unidad de superficie. Según la bibliografía, para un proceso de fangos activos su valor debe estar comprendido entre 3 y 6 kgSS/m2.h.
Cálculo del volumen del sedimentador secundario La altura (h) de los depósitos de sedimentación de sección circular para fangos activos se sitúa entre 3,5-5 metros. Para este cálculo optamos por un valor de 4 m. Por tanto, el volumen total de sedimentación secundaria es: V = S x h = 700 m 2 x 4 m = 2.800 m3 Al tratarse de un volumen realmente importante se puede optar por dos depósitos de 1.400 m3 de capacidad cada uno, por lo que la superficie de cada depósito será:
y el radio (r) y el diámetro (D) de cada depósito serán:
D = 2 · r = 2 · 10,5 m = 21 m Volumen real de cada depósito = 1.385 m3
Cálculo del tiempo de retención hidráulica Por cada depósito circula la mitad del caudal medio de 570 m 3 /h, es decir, 285 m3 /h. Además sabemos que el volumen real de cada depósito es de 1.385 m 3.
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Tratamiento de aguas residuales
Con todo ello podemos calcular el tiempo de retención hidráulico (O) en el sedimentador secundario:
Este valor se encuentra entre los aconsejados para un proceso de fangos activos, que son entre 3 y 5 horas. Conclusión Las dimensiones y características de los depósitos de sedimentación secundaria de nuestra línea de tratamiento son: Número de Depósitos
2
Diámetro de los Depósitos
21m
Superficie de los Depósitos
350 m2
Altura de los Depósitos
4m
Volumen de los Depósitos
1.385 m 3
Carga Hidráulica Superficial
0,69 m3 /m2.d
Carga de Sólidos Superficial
3,1 kgSS/m2.h
Tiempo de Retención Hidráulica
4,9 h.
Puntos a destacar 1. Para
dimensionar
las
instalaciones
de
tratamiento
de
aguas
es
imprescindible conocer los niveles de contaminantes marcados por la legislación y las características de las aguas a tratar (caracterización). 2. Para hacer los cálculos de la instalación hay que considerar que ni el caudal de agua a tratar ni su contaminación serán constantes. El dimensionado de cada operación dependerá de los resultados obtenidos en la operación anterior
8 Bibliografía
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