Tratamiento de aguas residuales y agua potable

3. 3. Tratamiento de las aguas residuales
3.1 El problema
3.2 Procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales
3.3 Sistemas de tratamiento biológico natural

3.1 El problema
El objetivo principal del tratamiento de las aguas residuales es, en general, permitir que los efluentes humanos e industriales se eliminen sin peligro para la salud humana o sin causar daños inaceptables al medio ambiente natural. El riego con aguas residuales es tanto eliminación como utilización y, de hecho, es una forma eficaz de eliminación de aguas residuales (como en el tratamiento de tierras a baja velocidad). Sin embargo, normalmente debe proporcionarse algún grado de tratamiento a las aguas residuales municipales sin tratar antes de que puedan utilizarse para el riego agrícola o de paisajes o para la acuicultura. La calidad de los efluentes tratados utilizados en la agricultura tiene una gran influencia en el funcionamiento y el rendimiento del sistema de aguas residuales-suelo o acuicultura. En el caso del riego, la calidad requerida del efluente dependerá del cultivo o cultivos que se vayan a regar, de las condiciones del suelo y del sistema de distribución de efluentes adoptado. Mediante la restricción de los cultivos y la selección de sistemas de riego que reduzcan al mínimo los riesgos para la salud, se puede reducir el grado de tratamiento de las aguas residuales antes de su aplicación. Un enfoque similar no es factible en los sistemas de acuicultura y habrá que confiar más en el control mediante el tratamiento de las aguas residuales.

El tratamiento de aguas residuales más apropiado que se aplicará antes de la utilización de efluentes en la agricultura es el que producirá un efluente que cumpla las directrices de calidad microbiológica y química recomendadas, tanto a bajo costo como con requisitos mínimos de funcionamiento y mantenimiento (Arar 1988). La adopción de un nivel de tratamiento lo más bajo posible es especialmente deseable en los países en desarrollo, no sólo desde el punto de vista del costo sino también en reconocimiento de la dificultad de operar sistemas complejos de manera confiable. En muchos lugares será mejor diseñar el sistema de reutilización para aceptar un efluente de bajo grado en lugar de depender de procesos de tratamiento avanzados que produzcan un efluente regenerado que cumpla continuamente una norma de calidad estricta.

No obstante, hay lugares en los que será necesario un efluente de mayor grado y es esencial que se disponga de información sobre el rendimiento de una amplia gama de tecnología de tratamiento de aguas residuales. El diseño de las plantas de tratamiento de aguas residuales suele basarse en la necesidad de reducir las cargas de sólidos orgánicos y en suspensión para limitar la contaminación del medio ambiente. La eliminación de patógenos muy rara vez se ha considerado un objetivo pero, para la reutilización de los efluentes en la agricultura, esto debe ser ahora una preocupación primordial y los procesos deben ser seleccionados y diseñados en consecuencia (Hillman 1988). El tratamiento para eliminar los componentes de las aguas residuales que pueden ser tóxicos o perjudiciales para los cultivos, las plantas acuáticas (macrófitos) y los peces es técnicamente posible pero normalmente no es económicamente viable. Lamentablemente, se dispone de pocos datos de rendimiento sobre las plantas de tratamiento de aguas residuales en los países en desarrollo e incluso entonces no suelen incluir parámetros de calidad de los efluentes de importancia en el uso agrícola.

Las variaciones a corto plazo de los flujos de aguas residuales observadas en las plantas municipales de tratamiento de aguas residuales siguen un patrón diurno. El flujo suele ser bajo durante las primeras horas de la mañana, cuando el consumo de agua es más bajo y cuando el flujo de base consiste en infiltración-flujo y pequeñas cantidades de aguas residuales sanitarias. Un primer pico de flujo generalmente se produce al final de la mañana, cuando las aguas residuales del pico de consumo de agua de la mañana llegan a la planta de tratamiento, y un segundo pico de flujo generalmente se produce por la tarde. La magnitud relativa de los picos y las horas en que se producen varían de un país a otro y con el tamaño de la comunidad y la longitud de las alcantarillas. Las comunidades pequeñas con sistemas de alcantarillado pequeños tienen una proporción mucho más alta de flujo máximo a flujo medio que las comunidades grandes. Aunque la magnitud de los picos se atenúa a medida que las aguas residuales pasan por una planta de tratamiento, las variaciones diarias del flujo de una planta de tratamiento municipal hacen que, en la mayoría de los casos, sea impracticable regar con el efluente directamente desde la planta de tratamiento. Es necesaria alguna forma de igualación del flujo o de almacenamiento a corto plazo del efluente tratado para proporcionar un suministro relativamente constante de agua regenerada para un riego eficiente, aunque el almacenamiento produce beneficios adicionales.

3.2 Procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales
3.2.1 Tratamiento preliminar
3.2.2 Tratamiento primario
3.2.3 Tratamiento secundario
3.2.4 Tratamiento terciario y/o avanzado
3.2.5 Desinfección
3.2.6 Almacenamiento de efluentes
3.2.7 Fiabilidad del tratamiento convencional y avanzado de las aguas residuales

El tratamiento convencional de las aguas residuales consiste en una combinación de procesos y operaciones físicas, químicas y biológicas para eliminar los sólidos, la materia orgánica y, a veces, los nutrientes de las aguas residuales. Los términos generales que se utilizan para describir los diferentes grados de tratamiento, en orden de aumento del nivel de tratamiento, son: tratamiento preliminar, primario, secundario y terciario y/o avanzado de las aguas residuales. En algunos países, la desinfección para eliminar los patógenos a veces sigue al último paso del tratamiento. En la Figura 5 se muestra un diagrama de tratamiento de aguas residuales generalizado.

Figura 5: Diagrama de flujo generalizado para el tratamiento de aguas residuales municipales (Asano et al. 1985)

3.2.1 Tratamiento preliminar
El objetivo del tratamiento preliminar es la eliminación de los sólidos gruesos y otros materiales de gran tamaño que a menudo se encuentran en las aguas residuales crudas. La eliminación de estos materiales es necesaria para mejorar el funcionamiento y el mantenimiento de las unidades de tratamiento posteriores. Las operaciones de tratamiento preliminar suelen incluir el cribado grueso, la eliminación de arenas y, en algunos casos, la trituración de objetos grandes. En las cámaras de arena, la velocidad del agua a través de la cámara se mantiene lo suficientemente alta, o se utiliza aire, para evitar la sedimentación de la mayoría de los sólidos orgánicos. La remoción de arenas no está incluida como un paso de tratamiento preliminar en la mayoría de las pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales. A veces se adoptan molinillos para complementar el cribado grueso y sirven para reducir el tamaño de las partículas grandes de manera que se eliminen en forma de lodo en los procesos de tratamiento posteriores. Los dispositivos de medición de flujo, a menudo canales de onda estacionaria, siempre se incluyen en la etapa de tratamiento preliminar.

3.2.2 Tratamiento primario
El objetivo del tratamiento primario es la eliminación de los sólidos orgánicos e inorgánicos sedimentables y la eliminación de los materiales que flotarán (escoria) mediante el desnatado. Aproximadamente del 25 al 50% de la demanda bioquímica de oxígeno entrante (DBO5), del 50 al 70% del total de los sólidos en suspensión (SS) y el 65% del aceite y la grasa se eliminan durante el tratamiento primario. También se eliminan algo de nitrógeno orgánico, fósforo orgánico y metales pesados asociados a los sólidos durante la sedimentación primaria, pero los constituyentes coloidales y disueltos no se ven afectados. El efluente de las unidades de sedimentación primaria se denomina efluente primario. En el cuadro 12 se presenta información sobre el efluente primario de tres plantas de tratamiento de aguas residuales en California, junto con datos sobre las aguas residuales sin tratar.

En muchos países industrializados, el tratamiento primario es el nivel mínimo de tratamiento previo a la aplicación que se requiere para el riego de aguas residuales. Puede considerarse un tratamiento suficiente si las aguas residuales se utilizan para regar cultivos que no son consumidos por el hombre o para regar huertos, viñedos y algunos cultivos alimentarios elaborados. Sin embargo, para evitar posibles condiciones molestas en los depósitos de almacenamiento o de compensación de flujo, normalmente se requiere en esos países alguna forma de tratamiento secundario, incluso en el caso del riego de cultivos no alimentarios. Tal vez sea posible utilizar por lo menos una porción de los efluentes primarios para el riego si se proporciona almacenamiento fuera de línea.

Los depósitos de sedimentación primaria o los clarificadores pueden ser cuencas redondas o rectangulares, normalmente de 3 a 5 m de profundidad, con un tiempo de retención hidráulica de entre 2 y 3 horas. Los sólidos sedimentados (lodos primarios) normalmente se eliminan del fondo de los tanques mediante rastrillos de lodo que raspan el lodo hasta un pozo central desde el que se bombea a las unidades de tratamiento de lodos. La escoria es barrida a través de la superficie del tanque por chorros de agua o por medios mecánicos desde los que también se bombea a las unidades de tratamiento de lodos.

En las grandes plantas de tratamiento de aguas residuales (> 7600 m3/d en los EE.UU.), los lodos primarios suelen procesarse biológicamente mediante digestión anaeróbica. En el proceso de digestión, las bacterias anaeróbicas y facultativas metabolizan el material orgánico de los lodos (véase el ejemplo 3), reduciendo así el volumen que requiere la eliminación definitiva, haciendo que los lodos sean estables (no imputrescibles) y mejorando sus características de deshidratación. La digestión se lleva a cabo en tanques cubiertos (digestores anaeróbicos), normalmente de 7 a 14 m de profundidad. El tiempo de permanencia en un digestor puede variar desde un mínimo de unos 10 días en el caso de los digestores de alta velocidad (bien mezclados y calentados) hasta 60 días o más en los digestores de velocidad estándar. Durante la digestión se produce un gas que contiene alrededor del 60 al 65% de metano y que puede ser recuperado como fuente de energía. En las pequeñas plantas de tratamiento de aguas residuales, los lodos se procesan de diversas maneras, entre ellas: digestión aeróbica, almacenamiento en lagunas de lodos, aplicación directa en lechos de secado de lodos, almacenamiento en proceso (como en estanques de estabilización) y aplicación en tierra.

Ejemplo 3: Bioquímica del tratamiento biológico

3.2.3 Tratamiento secundario
El objetivo del tratamiento secundario es el tratamiento ulterior de los efluentes del tratamiento primario para eliminar los residuos orgánicos y los sólidos en suspensión. En la mayoría de los casos, el tratamiento secundario sigue al primario e implica la eliminación de la materia orgánica disuelta y coloidal biodegradable mediante procesos de tratamiento biológico aeróbico. El tratamiento biológico aeróbico (véase el recuadro) se realiza en presencia de oxígeno por medio de microorganismos aeróbicos (principalmente bacterias) que metabolizan la materia orgánica de las aguas residuales, produciendo así más microorganismos y productos finales inorgánicos (principalmente CO2, NH3 y H2O). Se utilizan varios procesos biológicos aeróbicos para el tratamiento secundario que difieren principalmente en la forma en que se suministra el oxígeno a los microorganismos y en la velocidad a la que los organismos metabolizan la materia orgánica.

Los procesos biológicos de alta tasa se caracterizan por volúmenes de reactor relativamente pequeños y altas concentraciones de microorganismos en comparación con los procesos de baja tasa. Por consiguiente, la tasa de crecimiento de los nuevos organismos es mucho mayor en los sistemas de alta tasa debido al entorno bien controlado. Los microorganismos deben separarse de las aguas residuales tratadas por sedimentación para producir un efluente secundario clarificado. Los tanques de sedimentación utilizados en el tratamiento secundario, a menudo denominados clarificadores secundarios, funcionan de la misma manera básica que los clarificadores primarios descritos anteriormente. Los sólidos biológicos eliminados durante la sedimentación secundaria, llamados lodos secundarios o biológicos, se combinan normalmente con los lodos primarios para el tratamiento de los lodos.

Los procesos comunes de alta tasa incluyen los procesos de lodos activados, los filtros percoladores o biofiltros, las zanjas de oxidación y los contactores biológicos rotativos (RBC). A veces se utiliza una combinación de dos de estos procesos en serie (por ejemplo, biofiltro seguido de lodo activado) para tratar aguas residuales municipales que contienen una alta concentración de material orgánico de fuentes industriales.

i. Lodos activados

En el proceso de lodos activados, el reactor de crecimiento disperso es un tanque o cuenca de aireación que contiene una suspensión de las aguas residuales y los microorganismos, el licor mezclado. El contenido del tanque de aireación se mezcla vigorosamente mediante dispositivos de aireación que también suministran oxígeno a la suspensión biológica . Los dispositivos de aireación que se utilizan comúnmente incluyen difusores sumergidos que liberan aire comprimido y aireadores mecánicos de superficie que introducen aire agitando la superficie del líquido. El tiempo de retención hidráulica en los tanques de aireación suele oscilar entre 3 y 8 horas, pero puede ser mayor con aguas residuales de alta DBO5. Tras la etapa de aireación, los microorganismos se separan del líquido por sedimentación y el líquido clarificado es un efluente secundario. Una parte del lodo biológico se recicla en la cuenca de aireación para mantener un alto nivel de sólidos en suspensión de licor mezclado (MLSS). El resto se retira del proceso y se envía al procesamiento de lodos para mantener una concentración relativamente constante de microorganismos en el sistema. Varias variaciones del proceso básico de lodos activados, como la aireación prolongada y las zanjas de oxidación, son de uso común, pero los principios son similares.
ii. Filtros percoladores

Un filtro percolador o biofiltro consiste en una cuenca o torre llena de medios de apoyo como piedras, formas de plástico o listones de madera. Las aguas residuales se aplican intermitentemente, o a veces continuamente, sobre el medio. Los microorganismos se adhieren al medio y forman una capa biológica o una película fija. La materia orgánica de las aguas residuales se difunde en la película, donde se metaboliza. El oxígeno es normalmente suministrado a la película por el flujo natural del aire, ya sea hacia arriba o hacia abajo a través del medio, dependiendo de las temperaturas relativas de las aguas residuales y del aire ambiente. El aire forzado también puede ser suministrado por sopladores, pero esto rara vez es necesario. El grosor de la biopelícula aumenta a medida que crecen nuevos organismos. Periódicamente, partes de la película se desprenden del medio. El material desprendido se separa del líquido en un clarificador secundario y se descarga en el procesamiento de lodos. El líquido clarificado del clarificador secundario es el efluente secundario y una porción es a menudo reciclada al biofiltro para mejorar la distribución hidráulica del agua residual sobre el filtro.
iii. Contactores biológicos rotativos

Los contactores biológicos rotativos (RBC) son reactores de película fija similares a los biofiltros, en los que los organismos están unidos a un medio de soporte. En el caso de los RBC, los medios de apoyo son discos que giran lentamente y están parcialmente sumergidos en las aguas residuales que fluyen en el reactor. El oxígeno es suministrado a la biopelícula adherida desde el aire cuando la película está fuera del agua y desde el líquido cuando está sumergida, ya que el oxígeno se transfiere a las aguas residuales por la turbulencia de la superficie creada por la rotación de los discos. Los trozos de biopelícula desprendidos se eliminan de la misma manera descrita para los biofiltros.
Los procesos de tratamiento biológico de alta velocidad, en combinación con la sedimentación primaria, suelen eliminar el 85% de la DBO5 y los SS originalmente presentes en las aguas residuales crudas y algunos de los metales pesados. El lodo activado generalmente produce un efluente de calidad ligeramente superior, en cuanto a estos constituyentes, que los biofiltros o los glóbulos rojos. Cuando se combinan con un paso de desinfección, estos procesos pueden proporcionar una eliminación sustancial pero no completa de bacterias y virus. Sin embargo, eliminan muy poco fósforo, nitrógeno, orgánicos no biodegradables o minerales disueltos. Los datos sobre la calidad de los efluentes de algunas plantas de tratamiento secundario en California se presentan en la Tabla 13.

Fuente: fao. org