Aguas residuales

Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos o de procesos industriales, los cuales por razones de salud pública y por consideraciones de recreación económica y estética, no pueden desecharse vertiéndolas sin tratamiento en lagos o corrientes convencionales. Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embargo, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia orgánica en CO2, es por esto que nos tratamientos de las aguas de desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales.

El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación de microorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos o a otras fuentes de abastecimiento. Específicamente el tratamiento biológico de las aguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este está ligado íntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios y anaerobios.

El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de reacciones complejas de digestión y fermentación efectuadas por un huésped de diferentes especies bacterianas, el resultado neto es la conversión de materiales orgánicos en CO2 y gas metano, este último se puede separar y quemar como una fuente de energía. Debido a que ambos productos finales son volátiles, el efluente líquido ha disminuido notablemente su contenido en sustancias orgánicas. La eficiencia de un proceso de tratamiento se expresa en términos de porcentaje de disminución de la DBO inicial.

Tratamiento de aguas residuales:

I.- Tratamiento físico-químico: La presencia en el agua de muchas sustancias sólidas constituye la parte más importante y aparente de la contaminación. El tamaño de las partículas contaminantes presentes en el agua es muy variado.

Hay sólidos que por su tamaño pueden observarse a simple vista en el agua y dejando la suspensión en reposo, se pueden separar bien por decantación bajo la influencia de la gravedad o bien por flotación, dependiendo de las densidades relativas del sólido y del agua. También resulta fácil separarlas por filtración.

Sin embargo, hay otras partículas muy finas de naturaleza coloidal denominadas coloides que presentan una gran estabilidad en agua. Tienen un tamaño comprendido entre 0,001 y 1 µm y constituyen una parte importante de la contaminación, causa principal de la turbiedad del agua. Debido a la gran estabilidad que presentan, resulta imposible separarlas por decantación o flotación. Tampoco es posible separarlas por filtración porque pasarían a través de cualquier filtro.

La causa de esta estabilidad es que estas partículas presentan cargas superficiales electrostáticas del mismo signo, que hace que existan fuerzas de repulsión entre ellas y les impida aglomerarse para sedimentar.

Estas cargas son, en general, negativas, aunque los hidróxidos de hierro y aluminio las suelen tener positivas.

El tratamiento físico químico del agua residual tiene como finalidad mediante la adición de ciertos productos químicos la alteración del estado físico de estas sustancias que permanecerían por tiempo indefinido de forma estable para convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación.

Mediante este tratamiento puede llegar a eliminarse del 80 al 90% de la materia total suspendida, del 40 al 70% de la DBO5 y del 30 al 40% de la DQO.

Para romper la estabilidad de las partículas coloidales y poderlas separar, es necesario realizar tres operaciones: coagulación, floculación y decantación o flotación posterior.

1.-Coagulacion: La coagulación consiste en desestabilizar los coloides por neutralización de sus cargas, dando lugar a la formación de un floculo o precipitado.

La coagulación de las partículas coloidales se consigue añadiéndole al agua un producto químico (electrolito) llamado coagulante. Normalmente se utilizan las sales de hierro y aluminio.

2.- Floculación: La floculación trata la unión entre los flóculos ya formados con el fin aumentar su volumen y peso de forma que pueden decantar Consiste en la captación mecánica de las partículas neutralizadas dando lugar a un entramado de sólidos de mayor volumen. De esta forma, se consigue un aumento considerable del tamaño y la densidad de las partículas coaguladas, aumentando por tanto la velocidad de sedimentación de los flóculos.

3.- Decantación o Flotación: Esta última etapa tiene como finalidad el separar los agregados formados del seno del agua.

* Descripción del tratamiento físico-químico:

El tratamiento físico-químico puede constituir una única etapa dentro del tratamiento del agua residual o bien puede interponerse como proceso de depuración complementario entre el pre tratamiento y el tratamiento biológico.

En cualquiera de los dos casos, el vertido procedente del pre tratamiento es sometido a las distintas fases de depuración físico-químicas:

Coagulación

Coadyuvacion

Floculación.

El proceso de coagulación se efectúa en un sistema que permita una mezcla rápida y homogénea del producto coagulante con el agua residual, llamado mezclador rápido o coagulador. Consiste en una cámara de mezcla provista de un sistema de agitación que puede ser del tipo de hélice o turbina.

El tiempo de retención es de 0,3 a 5 minutos.

El reactivo (coagulante) se almacena en un depósito específico que puede ser de material diverso como PRFV, polietileno, metálico con imprimación, etc.

El coagulante debe ser dosificado al vertido en forma de disolución; a una concentración determinada. En algunos casos, el reactivo se recibe en la planta disuelta y se almacena en los depósitos. Otras veces se recibe en estado sólido, en cuyo caso, el tanque utilizado para su almacenamiento debe estar provisto de un sistema de agitación para la preparación de la disolución.

El transporte del producto desde el depósito de almacenamiento hasta la cámara de mezcla se lleva a cabo mediante una bomba dosificadora.

La coadyuvacion tiene como finalidad llevar el vertido a un pH óptimo para ser tratado. Para ello se utilizan ciertos productos químicos llamados coadyuvantes o ayudantes de coagulación.

Este proceso tiene lugar en la misma cámara donde se realiza la coagulación.

Como en el caso del coagulante, el coadyuvante se prepara en un dispositivo aparte provisto de un sistema de agitación. Igualmente, para la adición del reactivo al agua residual se emplea una bomba dosificadora.

El vertido, una vez coagulado, pasara a la siguiente etapa, denominada floculación. En dicha etapa, se le añade al agua un producto químico llamado floculante (polielectrolito), cuya función fundamental es favorecer la agregación de las partículas individuales o floculos formados durante la coagulación. Se originan floculos de mayor tamaño, los cuales, debido a su aumento de peso, decantaran en la última etapa del tratamiento físico-químico.

La floculación puede tener lugar en un floculador separado o bien en el interior de un decantador.

Los floculadores son depósitos provistos de sistemas de agitación que giran con relativa lentitud para no romper los flóculos formados durante la coagulación. El tiempo de retención en estos sistemas suele ser de 10 a 30 minutos.

Los sistemas de agitación pueden estar constituidos por hélices o por un conjunto de palas fijadas sobre un eje giratorio horizontal o vertical.

Otra posibilidad es realizar el proceso de coagulación-floculación y decantación en una sola unidad. En este caso, el decantador lleva incorporado un sistema de recirculación de fangos para mejorar el crecimiento de las partículas y facilitar su sedimentación.

La dosificación de polielectrolito también se hace en forma de disolución, debido a las características propias del reactivo (alta viscosidad), su preparación requiere un especial cuidado.

El depósito de almacenamiento de polielectrolito deberá disponer de un agitador para poder proceder a su acondicionamiento. La aplicación del reactivo al agua se realiza mediante una bomba especial para este tipo de producto. Se suele utilizar una bomba de desplazamiento y caudal variable, por ejemplo, una bomba tipo mono, de engranaje, pistón, etc.

II.-Tratamiento biológico de aguas residuales:

1.- Procesos aeróbicos: Los procesos biológicos permiten eliminar de las aguas residuales las sustancias biodegradables disueltas (substrato). El substrato suministra la fuente de alimento a los microorganismos y se transforma en condiciones aerobias en biomasa, dióxido de carbono y agua. Los microorganismos aerobios necesitan oxígeno para respirar. Además del substrato, generalmente también se tienen que eliminar del agua residual los compuestos de nitrógeno como el amonio y los nitratos. Un grupo de microorganismos convierten primero el amonio en nitrato (nitrificación). Otro grupo de microorganismos reduce luego el nitrato a nitrógeno elemental (desnitrificación). El nitrógeno producido escapa entonces como gas a la atmósfera. Existen dos tecnologías: los procesos de biopelícula y los de lodos activados.

1.1.- Procesos de lodos activados: En este proceso, los microorganismos se encuentran en suspensión en las aguas residuales. La aireación del agua residual en el tanque de aireación suministra oxígeno a los microorganismos aerobios. Como resultado del metabolismo se agrupan en flóculos, que constituyen el llamado lodo activado. Éste se separa seguidamente por sedimentación del agua residual depurada (decantación secundaria). Con la corriente de agua residual salen del tanque de aireación más lodos activados de los que se pueden formar de nuevo en el mismo periodo de tiempo. Para compensar esta pérdida de biomasa, una parte del lodo activado se devuelve al tanque de aireación (lodo de retorno). La parte norecirculada (lodo en exceso) es un residuos del proceso.

1.2.- Procesos de biopelicula: Los procesos de biopelícula se basan en que los microorganismos tienden a pegarse a la superficie de un material sólido. La capa de microorganismos que se forma recibe el nombre de biopelícula. La proliferación de los microorganismos produce un incremento del espesor de la biopelícula. Cuanto más gruesa es, tanto peor es su adherencia a la superficie del material sólido. Una fuerza que actúe en dirección paralela a la superficie del material sólido, como puede ser un flujo de agua, hará que se desprendan las biopelículas gruesas. De este modo se autorregula el crecimiento de la biomasa. Ejemplos de procesos de biopelícula son los filtros percoladores y los contactores biológicos rotatorios. Los contactores biológicos rotatorios son módulos cilíndricos construidos con un material portador apropiado para los microorganismos. Sobre el material portador se forma la biopelícula. Los soportes sólo se sumergen hasta la mitad en el agua residual. Mediante esa rotación, los microorganismos se ponen en contacto alternadamente con el aire y con el agua residual. Esto hace innecesaria una aireación artificial del agua residual. Existe un gran número de variantes en función del tipo y de la disposición del material portador. Una variante muy frecuente son los biodiscos. En este caso, el material portador consiste en varios discos paralelos dispuestos sobre un eje de giro.

2.- Procesos anaeróbicos: Al contrario de lo que ocurre en los procesos aerobios, la degradación anaerobia de sustancias orgánicas tiene lugar en ausencia de oxígeno. Los microorganismos anaerobios emplean las sustancias orgánicas como fuente de alimento, logrando su degradación. Como producto se forma biogás, compuesto principalmente de metano (60%) y dióxido de carbono (35%). El biogás se puede aprovechar como fuente de energía. Los complejos procesos de la degradación anaerobia constan, de forma simplificada, de cuatro fases (ilustración). Los procesos metabólicos que tienen lugar en cada fase son realizadas por distintos microorganismos. Los procesos anaerobios son apropiados para el tratamiento de aguas residuales con concentraciones muy elevadas de sustancias orgánicas, como las que se producen, por ejemplo, en la industria alimentaria o en la papelera. Frecuentemente se implementan como etapa previa a un proceso aerobio (p. ej. El proceso de lodos activados).

Las 4 fases de los complejos procesos de la degradación anaeróbica son:

Fase 1: Hidrólisis Sustancias de cadenas moleculares largas, con frecuencia no disueltas, como proteínas, grasas e hidratos de carbono, se transforman en compuestos disueltos como aminoácidos, ácidos grasos y azúcares.

Fase 2: Acidificación Los microorganismos formadores de ácidos transforman las sustancias hidrolizadas en ácidos orgánicos de cadena corta (p. ej. ácido butírico, ácido propiónico y ácido acético). También se forman pequeñas cantidades de hidrógeno y dióxido de carbono.

Fase 3: Formación de ácido acético. Las bacterias metanogénicas pueden producir metano (CH4) a partir de ácido acético o de hidrógeno y dióxido de carbono. Para ello los ácidos y alcoholes anteriormente formados, previamente se han de transformar en ácido acético.

Fase 4: Formación de metano Las bacterias metanogénicas producen metano a partir de hidrógeno, dióxido de carbono y ácido acético. Los microorganismos de las distintas fases tienen requisitos diferentes en lo que concierne a las condiciones ambientales. PH y temperatura son factores especialmente importantes. En consecuencia, las dos primeras y las dos últimas fases se agrupan respectivamente en una etapa (tabla). Idealmente, el proceso se debería desarrollar, por tanto, por etapas en dos reactores separados. En principio, las cuatro fases se pueden desarrollar también en una tapa en un solo reactor. En este caso se tiene que encontrar una situación de compromiso para las condiciones ambientales, lo que llevaría a una menor velocidad de degradación. Los microorganismos de las dos primeras fases pueden realizar su metabolismo con o sin oxígeno. Los microorganismos de la tercera y la cuarta fase son, por el contrario, estrictamente anaerobios y reaccionan con gran sensibilidad a la presencia de oxígeno y a fluctuaciones del pH.