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Tratamiento de las aguas residuales

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El tratamiento de las aguas residuales consiste en la aplicación de procesos u operaciones unitarias que permitan la remoción de los contaminantes y la mineralización de sus componentes con el fin de convertirlos en compuestos inocuos o menos dañinos para el ambiente.

Planta de tratamiento aguas residuales
Planta de tratamiento de aguas residuales

La selección del tipo o los tipos de tratamientos a aplicar depende de la naturaleza y las propiedades fisicoquímicas de las aguas residuales a tratar. Las aguas residuales domésticas, contaminadas por la actividad humana y ricas en materia orgánica, pueden ser tratadas eficientemente en plantas de tratamiento biológico o por tratamientos fisicoquímicos convencionales. Sin embargo, aguas residuales industriales, agrícolas, mineras, entre otras, requieren de tratamientos más complejos que permitan la remoción de los contaminantes específicos que las caracterizan. De aquí que la caracterización de las aguas residuales sean el punto de partida en la selección de los tipos de tratamientos de las aguas residuales a utilizar.

Tipos de tratamientos de aguas residuales

Existen diferentes tipos de tratamientos que permiten remover los contaminantes de las aguas residuales, los cuales pueden agruparse de acuerdo al fenómeno o principio en el que se fundamentan, estos son:

  • Tratamientos físicos
  • Tratamientos químicos
  • Tratamientos fisicoquímicos
  • Tratamientos biológicos
  • Tratamientos enzimáticos.
  • Procesos de oxidaciones avanzadas (POA)
  • Tratamientos físicos

En los tratamientos físicos prevalece la acción de las fuerzas físicas como la separación de sólidos mediante el choque contra rejas (desbaste), separaciones mediante diferencias de densidades (sedimentación por gravedad), mezclas u homogenizaciones de caudal por medio de agitadores mecánicos, entre otros.

Los procesos de filtración basados en el uso de membranas son tratamientos físicos que permiten separar moléculas de contaminantes de tamaño mayor al del poro de la membrana. Los procesos más comúnmente empleados son la nanofiltración y la ósmosis inversa. Dos de las principales desventajas de este tratamiento es que se produce un residuo con elevada concentración del contaminante que debe ser tratado adecuadamente antes de su disposición final, así como también se debe considerar el costo de sustitución de las membranas, que suele ser elevado.

  • Tratamientos químicos

Los tratamientos químicos incluyen la utilización de sustancias químicas para lograr la remoción o transformación de los contaminantes. Principalmente, se pueden mencionar la precipitación, adsorción y la desinfección.

Existe también la posibilidad de combinar tratamientos, originándose los “fisicoquímicos” donde se logra la separación de los contaminantes utilizando sustancias químicas como coagulantes y/o floculantes (polielectrolitos o floculantes inorgánicos) para que formen un precipitado, el cual sedimentará por acción de la gravedad (proceso conocido como sedimentación asistida). Las eficacias de eliminación son altas, pero en el proceso se generan lodos que deben ser tratados.

Proceso de coagulación floculación
Proceso de coagulación-floculación

El tratamiento fisicoquímico puede constituir una etapa intermedia o la etapa final del tratamiento total. Su uso se orienta hacia la precipitación de metales o de sales tóxicas, eliminación de aceites en emulsión, color, turbidez y de materias diversas en suspensión, así como también la reducción simultánea de DBO (demanda biológica de oxígeno), DQO (demanda química de oxígeno) y nitrógeno. Una parte considerable de estos contaminantes que no sedimentan pueden ser coloides, cuyo tamaño de partícula oscila entre 10-7 y 10-9 µm. En estos tamaños de partícula las propiedades superficiales y las cargas eléctricas, tienen efectos más importantes que el peso relativo de la partícula en el agua e impiden su sedimentación. Las operaciones de coagulación y floculación desestabilizan los coloides y consiguen su sedimentación.

Existen diversos factores que influyen en el proceso fisicoquímico de coagulación-floculación como son: el pH, dosis de coagulantes, concentración de coloides o turbiedad, color o concentración de sustancias orgánicas en el agua, aniones o cationes, intensidad de la mezcla rápida y gradiente de velocidad de la mezcla lenta; movilidad electroforética de las partículas, la temperatura del agua, entre otros.

  • Tratamientos biológicos

En los tratamientos biológicos la eliminación o conversión de los contaminantes orgánicos biodegradables se dará gracias a la actividad metabólica de los microorganismos. La remoción consiste en la conversión de los contaminantes a sustancias gaseosas que se expulsarán a la atmósfera, y a tejido celular de nuevos microorganismos que podrá ser eliminado mediante sedimentación.

Tratamiento biológico
Tratamiento biológico de aguas residuales

Los tratamientos biológicos se aplican muy comúnmente para la degradación de contaminantes biodegradables, debido a las ventajas que presentan: los procesos son relativamente económicos, los costes de operación son bajos y se pueden generar efluentes limpios tras la degradación parcial o total de los productos iniciales.

El tratamiento biológico ha mostrado ser efectivo para remover la materia orgánica, nutrientes y ciertas trazas de sustancias tóxicas presentes en las aguas residuales. El proceso consiste en que por acción de los microorganismos se logran remover los contaminantes. La materia orgánica es convertida a formas más estables (CO2 y H2O) y/o es utilizada para el crecimiento y reproducción de más microorganismos. Este grupo de microorganismos conforman lo que se conoce como lodo activado o biomasa, compuesto mayoritariamente por bacterias, protozoos, rotíferos y hongos.

El proceso por medio del cual las bacterias utilizan el sustrato (materia orgánica) se puede describir en tres pasos.

Metabolismo celular para tratar aguas residuales
Etapas de utilización de sustrato por los microorganismos.

Estos pasos se llevan a cabo de forma fácil cuando el sustrato se encuentra en su forma soluble, pero si está en forma coloidal o inerte el proceso es más lento porque debe ser primero adsorbido sobre la superficie celular para que se descomponga en fracciones que si puedan ser transportadas mediante las exoenzimas al interior de la célula.

Dentro de los procesos biológicos, se distinguen principalmente:

  • 1. Tratamiento anaeróbico

La digestión anaeróbica es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, entre otros), y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, entre otros) y compuestos de difícil degradación.

Está conformado por cuatro etapas principales como son: 1) hidrólisis, 2) acidogénesis, 3) acetogénesis y 4) metanogénesis.

  • 2. Tratamiento aeróbico

En el tratamiento biológico aerobio (en presencia de oxígeno) los microorganismos asimilan y metabolizan la materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) presentes en el agua residual y la transforman a dióxido de carbono (CO2), agua y nuevas células. La tasa de crecimiento y reproducción de los microorganismos aeróbicos es muy alta, por tanto, se generan elevadas cantidades de lodos del tratamiento biológico, siendo esta una de las desventajas de este tipo de tratamiento.

Debe utilizarse una secuencia de tratamientos biológicos cuando se requiera eliminar nutrientes por vía biológica. La secuencia Anaeróbico/Óxico favorece la remoción de fósforo, mientras que la secuencia Aeróbico/Anóxico permite la remoción de nitrógeno.

  • Tratamientos enzimáticos

Los tratamientos enzimáticos resultan de una variación de los biológicos, donde los microorganismos excretan enzimas capaces de oxidar distintos contaminantes orgánicos, mineralizándolos en muchos casos, y haciéndolos inocuos o menos perjudiciales a la salud

Tratamiento enzimático agua residual
Acción de las enzimas sobre los contaminantes (tratamiento enzimático)

La principal ventaja de los tratamientos enzimáticos frente a otros tratamientos biológicos reside en la posibilidad de aplicar tiempos de residencia menores, debido a que la cinética de la degradación enzimática es muy elevada. Así se consiguen altas conversiones y muy altas eficacias de degradación.

  • Tratamientos de oxidación avanzada

Los procesos de oxidación avanzada (POA), tanto fotoquímicos como electroquímicos, se presentan como alternativas de tratamiento de aguas residuales contaminadas con sustancias antropogénicas difícilmente biodegradables, así como también para eliminar bacterias nocivas en aguas destinadas al consumo humano.

Los POA son procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura química de los contaminantes. Estos son destruidos por medio de sustancias químicas conocidas como radicales libres (hidroxilos, OH), que tienen la propiedad de ser altamente oxidantes, debido a que reaccionan con el contaminante y lo transforman en compuestos inocuos al ambiente. El radical hidroxilo tiene un potencial de oxidación mucho mayor que el de otros oxidantes tradicionales y tiene como ventaja que puede ser generado por medios fotoquímicos (incluida la luz solar), u otras formas de energía, y posee alta efectividad para la oxidación de materia orgánica.

Los radicales libres tienen la capacidad de oxidar compuestos orgánicos (contaminantes) ya sea por abstracción de hidrógeno o por adición electrofílica a dobles enlaces. En el caso de microorganismos, los radicales libres atacan la doble capa bilipídica que conforma la pared externa de la célula, generando reacciones de peroxidación lipídica letales para el microorganismo.

Los principales procesos de oxidación avanzada son:

  • Ozono/Luz UV
  • H2O2/Luz UV
  • Ultrasonido
  • Fotocatálisis heterogénea y homogénea
  • Tratamientos electroquímicos

Los POA han sido probados con éxito en aguas residuales contaminadas con herbicidas, plaguicidas, benceno, cloroformo, cloruro de metilo, así como también con microorganismos como el Eschericha coli (indicador de contaminación microbiana en aguas residuales). A su vez, también se han utilizado los POA para tratar aguas residuales hospitalarias, así como efluentes con elevada carga orgánica biorefractaria (no degradable por vía biológica) provenientes de la industria textil, hidrocarburos, colorantes, lixiviados de vertederos, entre otros.

Usualmente, los POA se utilizan combinados con procesos biológicos de tratamiento. Las oxidaciones avanzadas, como etapa previa al tratamiento biológico, aumentan la biodegradabilidad de los contaminantes presentes en las aguas residuales que contiene compuestos biorefractarios o recalcitrantes, aumentando la eficiencia final de tratamiento y reduciendo los costos del proceso de depuración.

Como se puede ver en lo expresado anteriormente, todos los tratamientos tienen aspectos positivos y negativos, por tanto, se debe tener una visión amplia y general del tipo de efluente a trata y los contaminantes que se desean remover.

Comparación entre tratamientos de agua residuales:

1. Físicos:

Ventajas:

  • No requieren reactivos químicos.

Desventajas:

  • No degradan compuestos biocalcitrantes
  • Membranas costosas
  • Requieren limpieza periódica

2. Químicos:

Ventajas:

  • Son procesos rápidos
  • Actúan sobre compuestos de baja degradabilidad

Desventajas:

  • Alta producción de lodos
  • Usan reactivos costosos

3. Biológicos:

Ventajas:

  • Más económicos que los fisicoquímicos
  • No usan reactivos químicos

Desventajas:

  • Elevada producción de lodos
  • No remueven compuestos recalcitrantes

4. Oxidaciones Avanzadas:

Ventajas:

  • Remueven compuestos biorefractarios (plaguicidas, hidrocarburos, colorantes)

Desventajas:

  • Son costosos
  • Consumen mucha energía

¿Cómo remover los contaminantes de las aguas residuales?

Los tratamientos de aguas residuales consisten en una secuencia de etapas que permiten remover los contaminantes presentes en ellas hasta reducirlos al límite de descarga permitidos en las normativas ambientales nacionales o internacionales. El orden y tipo de tratamiento depende de las características propias del efluente, por eso es fundamental tener un conocimiento claro de su composición, antes de proponer el sistema de tratamiento a emplear para un agua residual específica.

Las etapas generales de un sistema de tratamiento se agrupan dentro de lo que se denomina Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) o Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR). Estas etapas son:

  1. Pretratamiento: Etapa de adecuación del efluente para ser tratado. Se remueven sólidos de gran tamaño, grasas aceites y material inorgánico. En esta etapa se ajusta el pH del agua residual y se homogeniza el caudal.
  1. Tratamiento primario: Corresponde a la etapa donde se realiza el proceso de sedimentación por gravedad o asistida (utilizando sustancias químicas llamadas coagulantes). Se separan los componentes orgánicos del agua residual que sean capaces de sedimentar.
  1. Tratamiento secundario: Se conoce como el corazón del sistema de tratamiento. Consiste en aplicar, normalmente, tratamiento biológico al agua que previamente ha sido tratada en las etapas anteriores, es decir, se emplean microorganismos beneficiosos que removerán la materia orgánica y nutrientes transformándolos en compuestos inocuos como el CO2, agua, nitrógeno gaseoso, entre otros.

En muchos casos el tratamiento secundario está conformado por alguna etapa previa, ya sean digestiones anaerobias (fermentaciones), sedimentaciones químicas, procesos de oxidación avanzada, entre otros, para mejorar la calidad del efluente antes de ser sometido al tratamiento central (proceso aeróbico). El fin de esta secuencia de tratamientos es lograr convertir compuestos complejos e insolubles (lentamente biodegradables) en sustancias menos complejas y solubles (fácilmente biodegradables), las cuales pueden pasar fácilmente a través de las paredes y membranas celulares, haciéndose más sencilla la absorción de los nutrientes por parte de los microorganismos durante la etapa final del tratamiento biológico

  1. Tratamiento terciario o tratamiento de pulimento: Es la etapa final en la que se aplican procesos que permitan remover todos aquellos contaminantes remanentes de las etapas anteriores. Entre estos se pueden mencionar: desinfección, ozonización, eliminación de color, olor, sabor, filtración por carbón activado, filtraciones (micro, ultra, nano), ósmosis inversa, entre otros.

A continuación se muestra un esquema general de tratamiento de aguas residuales, la secuencia variará de acuerdo a las características del agua residual:

Esquema tratamiento aguas residuales
Esquema general de un sistema de tratamiento de aguas residuales

Los lodos generados del tratamiento de las aguas residuales deben ser recogidos y tratados de forma independiente. El lodo tiene consistencia semi líquida y está conformado por restos de microorganismos, agua residual y contaminantes particulados que hayan podido sedimentar, normalmente son de naturaleza orgánica y ricos en nutrientes. Es fundamental que el sistema de tratamiento de aguas residuales contemple una línea aparte para el tratamiento de los lodos que genera con el fin de disponerlos de manera segura en el ambiente o utilizarlos como acondicionador de suelos en prácticas agrícolas.

¿Qué podemos hacer?

Con lo expresado en este artículo podemos ver la diversidad y complejidad que puede tener brindar un tratamiento adecuado a las aguas residuales. Sin embargo, es de suma importancia destinar los recursos necesarios para lograrlo. La experiencia lograda en algunos países debe ser extrapolada a otros, pero procurando adaptar las tecnologías a las situaciones locales o regionales, como son las condiciones climáticas, disponibilidad de tecnología, personal capacitado para la operación y mantenimiento de los sistemas de tratamiento, entre muchos otros.  

Todos los estudios aplicados que vienen de la academia y centros de investigaciones son fundamentales para lograr que se disponga de tecnología adecuada , así mismo, se requieren de entes que financien la construcción, entrenamiento y prosecución de estas plantas de tratamiento en los lugares menos favorecidos del mundo.

Es un trabajo en equipo con el que nos beneficiaremos todos.

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