Retos ambientales de un mundo cambiante
Unidad 2 Aguas, residuos y otros impactos ambientales
UNIDAD 2 Aguas, residuos y otros impactos ambientales Subunidad 2.2 – Tratamientos del agua: Potabilización y depuración Con el objetivo de conseguir un correcto desarrollo de las poblaciones, resulta fundamental tanto consumir el agua como depositarla en el entorno natural con unos niveles mínimos de calidad que garanticen el mínimo impacto. El tratamiento que va a llevarse a cabo depende tanto de la calidad del agua de partida como del uso del agua que se haga a continuación. En este sentido se puede plantear el siguiente esquema:
A es el tratamiento de potabilización para agua de bebida o de uso doméstico. B es el tratamiento de las aguas residuales que han producido las actividades anteriores antes de ser depositadas en el medio ambiente. C es el tratamiento de reutilización que sufre el agua usada previamente para ser usada de nuevo con fines industriales, como los procesos de teñido de los tejidos por ejemplo, o con fines urbanos, como el riego de los jardines. Normalmente el tratamiento para el agua de reutilización (C) incluye un tratamiento de las aguas residuals (B) con unos criterios de calidad más estrictos.
Universidad de Navarra
Juana Fernández
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Las operaciones físicas unitarias básicas más comunes son el desbaste (ó retirada de sólidos), la sedimentación (ó decantación de los sólidos por gravedad), la flotación (burbujeo de aire que permite la retirada de partículas sólidas o líquidas en el agua) y la filtración (retirada de sólidos a través de un lecho filtrante). Entre los procesos químicos unitarios más comunes caben citar la precipitación química (procesos de coagulación-floculación), la adsorción (retirada de sustancias solubles con filtros de carbón activo) y desinfección (el agente químico asegura la no presencia de patógenos en el agua). Los procesos biológicos unitarios incluyen una etapa microbiológica con el objetivo de degradar la materia orgánica por esta vía. Suelen ser aerobios combinados con tratamiento anaerobio. A_tratamiento de potabilización: Se llama potabilización al proceso de tratamiento del agua con el objetivo de hacerla apta para el uso humano. Ante la imposibilidad de utilizar la mayoría de las fuentes naturales de agua, debido a la baja calidad que presenta, se propone una serie de etapas generales para el proceso.
•
Regulación del caudal de entrada. Dependiendo de la fuente de captación, será necesario adaptar un caudal estable y regular de acuerdo con el tratamiento posterior que se lleve a cabo. En este punto, resulta de capital importancia la elección del sistema de almacenaje y bombeo del agua que va a ser tratada.
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Corrección de pH. Debido al diferente origen natural que pueden presentar las aguas, es necesario proceder a una corrección del pH, generalmente con agentes alcalinos como el óxido de calcio (cal), para que los tratamientos posteriores resulten más eficaces, especialmente el proceso de coagulación-floculación.
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Coagulación-Floculación. Con el objetivo de eliminar la materia disuelta y en suspensión que puede presentar el agua, se procede a la adicción de coagulantes. Coagulación es el proceso de neutralización química de las dispersiones coloidales (negativas) por adicción de iones (positivos) formando microflóculos sin carga y forzando su sedimentación. Como agentes coagulantes se suelen utilizar sales de hierro y aluminio, como cloruros o sulfatos, según el tipo de agua que se trate y del presupuesto con el que se cuente para desarrollar el proceso. En este sentido hay que indicar que el sulfato de hierro es el doble de caro aproximadamente que el sulfato de aluminio, pero
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también es más eficaz, por ello es necesario realizar estudios de coagulación para aguas concretas sobre las que se vaya a aplicar el
tratamiento. Floculación es el proceso de adición de polímeros solubles en agua que aglutinan los microflóculos formando flóculos de mayor tamaño que pueden ser separados por sedimentación La coagulación es un proceso químico muy rápido, mientras que la floculación es un proceso físico más lento, que requiere de tiempo y de agitación lenta para que se formen los flóculos. El pH es un parámetro fundamental en el proceso global de coagulación- floculación, pues cada agente tiene un pH óptimo y puede alterar el rendimiento del proceso. •
Sedimentación. La separación, por acción de la gravedad, de las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el agua. La sedimentación tiene lugar normalmente en equipos de sección circulas con fondo cónico para facilitar la salida del lodo depositado. Por la parte superficial sale el agua clarificada.
•
Filtración. A continuación el agua clarificada es conducida hasta los filtros, en los que el agua se hace pasar en sentido descendente a través de una manta de materiales que retendrán las partículas sólidas que pudieran quedar en el agua. Normalmente estos filtros están formados por varias capas con materiales de distinto tamaño, grava, antracita, arena, entre otros. Las partículas se van depositando en el filtro y así cada cierto tiempo el filtro debe ser lavado con agua a contracorriente.
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Desinfección. Para garantizar el agua desde un punto de vista sanitario, es necesario aplicar agentes desinfectantes que eliminen los microorganismos patógenos y aseguren la correcta calidad del agua durante la distribución hasta el uso final. En la etapa de desinfección se suelen emplear distintos desinfectantes químicos como el cloro, sales de cloro como el hipoclorito de sodio y de calcio, dióxido de cloro, etc., ozono o radiación ultravioleta.
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B_tratamiento de aguas residuales y C_tratamiento agua de reutilización:
Se definen las aguas residuales como aquellas de composición variada provenientes de las descargas de usos público urbano, doméstico, industrial, comercial, de servicios, agrícola, pecuario, de las plantas de tratamiento y en general, de cualquier uso, así como la mezcla de ellas. Entre las principales características de las aguas residuales pueden citarse: propiedades físicas como el olor, color, sólidos en suspensión, temperatura; componentes químicos como pesticidas, fenoles, proteínas, tensioactivos, cloruros, metales pesados, nitrógeno, azufre, etc.; constituyentes biológicos como animales, plantas o bacterias.
Más info: Nuevos materiales y tecnologías para el tratamiento del
agua. Carrasco y
Menéndez. pag 23-25. 2010
El agua residual debe ser tratada con el objetivo de minimizar el impacto que tiene su retorno al medio ambiente. Los procesos desarrollados para el tratamiento son muy amplios y diversos en este campo, pues depende de la calidad del agua residual. Normalmente el contenido de contaminantes orgánicos y/o químicos son muy altos comparados con las aguas naturales que son tratadas para uso humano. En este sentido al esquema general que se planteó en el apartado anterior hay que añadir algunas etapas. Para facilitar la comprensión del proceso se agrupan en bloques:
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Tratamiento primario: En una primera parte se busca la eliminación de los cuerpos de gran tamaño que arrastra el agua y retirada de los sólidos de gran densidad, a continuación se eliminan los sólidos en suspensión que no han sido retirados. Incluye: o
Cribado: Se lleva a cabo con rejas que retienen los sólidos de mayor
tamaño.
o
o
La velocidad del agua disminuye hasta 0,3 m/s facilitando la sedimentación de las partículas de mayor densidad, como por ejemplo la arena, un material especialmente abrasivo en la planta y que dificulta el tratamiento posterior. Desarenado:
Flotación: Consiste
en la separación de grasas y aceites Tiene lugar a continuación del desarenado, con baja velocidad de agua, se burbujea oxígeno para facilitar la separación del aceite y el agua. El aceite es retirado mediante rasquetas por la parte superficial.
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•
La neutralización de las partículas cargadas mediante agentes coagulantes y la unión de los microflóculos formados mediante los agentes floculantes.
o
Coagulación-Floculación:
o
Sedimentación:
o
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La separación de los flóculos que decantan al fondo por gravedad. El agua clarificada es captada por la superficie del sedimentador y los lodos por la base.
Dependiendo del pH que presente el agua puede ser necesaria una neutralización, con el fin de no alterar el tratamiento biológico posterior. Neutralización:
Tratamiento secundario: Eliminación de la materia orgánica biodegradable que no haya sido eliminada en los tratamientos anteriores. Para llevar a cabo el tratamiento se utilizan microorganismos quimioheterótrofos que van a consumir el carbono orgánico originando productos de su metabolismo y nuevos microorganismos que serán separados por una nueva decantación. Por ello resulta fundamental conocer con detalle el metabolismo microbiano, con el fin de optimizar los procesos que se desarrollen. Incluye: o
Se llevan a cabo con microorganismos aerobios que consumen materia orgánica generando dióxido de carbono, energía y nuevos microorganismos. El proceso de la respiración aerobia ocurre cuando el oxígeno molecular actúa como aceptor de los electrones y este tipo de microorganismos sólo puede sobrevivir si hay una cantidad suficiente de oxígeno molecular. En estos casos resulta fundamental oxigenar el agua con potentes aireadores que altos consumos de energía eléctrica. Hay varias configuraciones técnicas para llevar a cabo los procesos aerobios para tratar las aguas con alto contenido orgánico, pero los más utilizados son: el proceso de fangos activados, lagunas aireadas, filtros percoladores y estanques de estabilización. El más común de todos ellos es el proceso de fangos activados que consiste en el desarrollo de un cultivo bacteriano floculado en un depósito que disponga de agitación y aireación, al que se alimenta el agua residual. En el contacto de microorganismos, sustrato orgánico (procedente de la contaminación) y oxígeno, se produce la degradación del material orgánico. Procesos aerobios:
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o
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El proceso anaerobio tiene lugar en ausencia de oxígeno y en este caso, los aceptores de los electrones son algunos compuestos orgánicos oxidados como el nitrato, el sulfato o el dióxido de carbono. Para ello se utilizan microorganismos anaerobios que, como resultado de su metabolismo, originan fundamentalmente metano (en una matriz de gases que se conoce como biogás), dióxido de carbono y nuevos microorganismos. El biogás puede ser valorizado desde un punto de vista energético. Los procesos anaerobios con recuperación de biogás requieren de una fuerte inversión inicial, pero el coste de mantenimiento es menor. Uno de las configuraciones más utilizadas es el reactor UASB, un sistema anaerobio que presenta una capa de lodos en el fondo de un reactor que contiene los microorganismos. A este sistema se aporta agua residual por el fondo, atraviesa la manta de lodos y sale del reactor por la parte superficial con menor contenido orgánico. Procesos anaerobios:
Los procesos aerobios son más habituales en las estaciones de tratamiento de aguas residuales debido a la menor inversión inicial en la construcción, aunque la recuperación energética que se puede llevar a cabo posteriormente unido al menor gasto energético en el desarrollo del proceso anaerobio puede compensar los costes iniciales. En ocasiones son secuenciales como en el caso de la nitrificación/desnitrificación dos procesos acoplados aerobio/anaerobio para reducir el nitrógeno amoniacal hasta nitrógeno gaseoso. En este caso se procede a la no aireación del agua en una balsa, que presenta en las partes bajas condiciones anóxicas, propicias para llevar a cabo la desnitrificación.
o
Sedimentación: Es
el siguiente paso al tratamiento biológico suele ser una decantación por gravedad que permite la separación del material que queda en suspensión, tanto materia orgánica no consumida como microorganismos y el agua. El agua clarificada es captada por la superficie del sedimentador y los lodos por la base.
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Tratamiento terciario: La finalidad es eliminar sustancias que resultan peligrosas o nocivas que no han sido retiradas anteriormente. Pueden ser iones inorgánicos o sustancias orgánicas como colorantes, pesticidas, fenoles, etc., para los que se usan métodos de oxidación química para neutralizar su efecto. También pueden encontrarse microorganismos patógenos que pueden suponer un riesgo sanitario en el punto de vertido de las aguas. Para destruir o inactivar estos microorganismos se recurre a la desinfección cuando sea necesario. En tratamiento de aguas residuales no es común aplicar procesos de desinfección si hay una cantidad de microorganismos baja, pero si el agua se va a destinar a agua de reutilización en otras actividades (C), es recomendable desinfectar. En estos casos, se suele usar hipoclorito de sodio, aunque en el mercado hay más tipos de agentes desinfectantes, como otros derivados del cloro, el ozono o la aplicación de radiaciones ultravioletas, entre otros.
Un esquema general del de tratamiento del agua residual sería el que se muestra en la Figura siguiente:
Más info:
BÁSICA: Ingeniería de las Aguas Residuales: Tratamiento, Vertido y Reutilización. Metcalf & Eddy. 1995.
AMPLIACIÓN: Gao, Han; Scherson, Yaniv D; Wells, George F. Towards energy neutral wastewater treatment: methodology and state of the art (2014-May-28). Environmental science. Processes & impacts Volumen:16 Número:6 Páginas:1223-46 DOI:10.1039/c4em00069b
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