OPERACIONES UNITARIAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Tratamiento de agua En ingeniería ambiental el término tratamiento de aguas es el conjunto de operaciones unitarias de tipo físico, químico o biológico cuya finalidad es la eliminación o reducción de la contaminación o las características no deseables de las aguas, bien sean naturales, de abastecimiento, de proceso o residuales, llamadas, en el caso de las urbanas, aguas negras. La finalidad de estas operaciones es obtener unas aguas con las características adecuadas al uso que se les vaya a dar, por lo que la combinación y naturaleza exacta de los procesos varía en función tanto de las propiedades de las aguas de partida como de su destino final. Operaciones unitarias para el tratamiento de aguas residuales Se conoce como operaciones unitarias aquellos métodos de tratamiento en los que predominan los fenómenos físicos, mientras que aquellos métodos en los que la eliminación de los contaminantes se realiza en base de procesos químicos o biológicos se conocen como proceso unitarios. En la actualidad, las operaciones y procesos unitarios se agrupan entre sí para construir los llamados tratamiento primario, secundario y terciarios. El tratamiento primario contempla el uso de operaciones físicas tales como las rejillas, tanques de sedimentación y flotación para la eliminación de los sólidos sedimentables y flotantes presentes en el agua residual. En el tratamiento secundario se realizan procesos biológicos y químicos los que se emplean para eliminar la mayor parte de la materia orgánica y elementos patógenos. En el tratamiento terciario se emplean combinaciones adicionales de los procesos y operaciones unitarias con el fin de eliminar otros componentes, tales como nitrógeno y fósforo, cuya reducción con el tratamiento secundario no es significativa. 1) RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES Los sistemas de alcantarillado conducen residuos domésticos, industriales y de áreas de servicio, así como aportes no controlados de infiltración y agua lluvia. El escurrimiento en estos ductos debe fluir sin presión para que pueda recibir los aportes provenientes de casas, edificios e industrias. Los ductos del sistema de recolección deben diseñarse para conducir el caudal máximo que pueda producirse en el período. Fosa de recolección de aguas residuales industriales: Se llama fosa de recolección de aguas residuales industriales al recipiente ubicado entre los edificios de producción, identificación y almacén que tiene como objetivo recolectar las aguas residuales industriales que provienen de la Planta.
2) TRATAMIENTO: FÍSICO, BIOLÓGICO Y QUÍMICO Tratamiento físico-químico Este tratamiento está orientado principalmente a la remoción de sustancias inorgánicas y por ello es utilizado en las aguas residuales industriales. Las características de los procesos son similares a la potabilizacion de agua. En este caso los sólidos extraídos desde el agua residual, que es una suspensión concentrada, al no ser componentes naturales del medio ambiente requieren de tratamiento o disposición especial que depende de su composición. En algunos casos cuando se requiere remover fósforo y nitrógeno del efluente de una planta de tratamiento biológico de aguas residuales se puede utilizar procesos físico-químicos. EL FÓSFORO se remueve agregando cal para elevar el pH a un valor del orden de 11 (formación de un precipitado), EL NITRÓGENO se elimina por sedimentación mediante aireación y posteriormente se corrige el pH por recarbonatación (incorporación de CO2). Si a continuación el agua es filtrada para remover los sólidos suspendidos no retenidos previamente y refiltrada en un medio de carbón adsorbente para remover compuestos orgánicos disueltos que producen olor y sabor, se obtiene un agua de muy buena calidad. Los procesos descritos previamente corresponden a lo que comúnmente se denomina tratamiento terciario de aguas residuales. Hay muchos otros procesos químicos con fines específicos, por ejemplo: oxidación, reducción, neutralización, precipitación, de uso común para el tratamiento de aguas residuales de origen industrial. Tratamiento Biológico El tratamiento biológico es la práctica más común para las aguas residuales domésticas o asimilables a éstas (que contienen principalmente materia orgánica). El tratamiento biológico tiene como principio básico la utilización de microorganismos aeróbicos naturales que reducen la materia orgánica (coloidal y disuelta) sintetizándola en nueva materia celular (desarrollo de microorganismos) y oxidándola a compuestos más simples (utilizada como alimento de los microorganismos denominado sustrato). El tratamiento biológico se puede realizar de diversas formas y puede agruparse en: a) Tratamientos Convencionales • Sistemas de crecimiento suspendido. Ej. lodos activados • Sistemas de película fija: Ej. filtros de riego ó filtros percoladores. • Tratamiento de lodos. Estabilización y reducción de volumen. Ej.lagunas de estabilización. b) Tratamientos No Convencionales Ej. Lagunas de estabilización 3) TAMIZADO GRUESO Y FINO
Tamizado grueso El tamizado es por lo general la primera operación unitaria encontrada en una planta de tratamiento de aguas residuales. Los equipos actualmente en el uso para el tamizado de agua residual. equipos para interceptar y retener sólidos gruesos presentes en el agua residual cruda; estos equipos constan generalmente de barras o varillas paralelas, o alambres de tamaño uniforme. El tamiz compuesto por barras o varillas paralelas se lo conoce como “REJILLA” o también tamiz de barras. El término tamiz se emplea también para describir equipos de tamizado conformados por platos perforados, mallas en sección de cuña y telas metálicas. Tamizado fino Las aplicaciones de los tamices finos van desde la remoción de sólidos gruesos y finos, en aguas residuales hasta la remoción de sólidos suspendidos en efluentes de procesos biológicos de tratamiento. Los tamices finos como el que observa en la figura 3.2 poseen orificios que van desde 0.010 a 0.125 pulg (0.25 a 0.38 mm). Con el desarrollo de mejores materiales y equipos (lo cual implica también mayor eficiencia de remoción) se ha presentado un aumento en la utilización de tamices finos para remover arenas, e incluso se han utilizado como unidades que reemplazan a los tanques de sedimentación primaria. Aunque existen gran variedad de tamices finos, los tres más usados son: tamiz de malla inclinada con forma de cuña, tamiz de tambor rotatorio y tamiz dedisco rotatorio.
4) SEDIMENTACIÓN. PARTÍCULAS DISCRETAS, FLOCULETAS, OTROS TIPOS Sedimentación Se entiende por sedimentación a aquellos fenómenos mediante los cuales los sólidos en suspensión cuyo peso específico es mayor que el del fluido que los contiene son separados del mismo, debido al efecto de la gravedad. Los sólidos pueden estar presentes en el agua como ocurre naturalmente, como es el caso del limo o la arena, o en forma modifica de su estado natural, como resultado de los procesos de coagulación y floculación. Sea cual fuere el origen de las partículas, si son más densas que el agua es mayor su probabilidad de sedimentación, dando como resultado un fluido clarificado, y en el fondo de los tanques una suspensión más concentrada que se considera ha sido separada del mismo. En función de la concentración y de la tendencia de las partículas, se puede producir cuatro tipos de sedimentación.
TIPOS DE SEDIMENTACIÓN:
SEDIMENTACIÓN DE PARTICULAS DISCRETAS (TIPO 1): Se refiere a una sedimentación
de partículas en una suspension con baja concentración de sólidos. Las particulas sedimentan como entidades individuales y no existe interacción sustancial con las partículas vecinas. En este caso, las propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma, peso específico) no cambian durante el prceso. La deposición de arenas en los desarenadores es un ejemplo tipico de sedimentación discreta. SEDIMENTACIÓN DE PARTICULAS FLOCULENTAS (TIPO 2): Se refiere a una suspensión bastante diluida de partículas que se agregan, ofloculan, durante el proceso de sedimentación. Al unirse, las partículas aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad. En este tipo la densidad como el volumen de las particulas cambian a medida que ellas se adhieren unas a otras mediante el mecanismo de la floculación y la precipitación química. SEDIMENTACIÓN ZONAL O RETARDADA (TIPO 3): En los sistemas que contienen elevadas concentraciones de sólidos, además de la sedimentación discreta y de la sedimentación floculenta, también suelen darse otras formas de sedimentación, como la sedimentación zonal y la sedimentación por compresión. La sedimentación por zonas se presenta en clarificadores con lodos coagulados químicamente, o activos con concentraciones que exceden los 500 mg/l.
SEDIMENTACIÓN POR COMPRESIÓN (TIPO 4): Se refieres a la sedimentación en la que las partículas están concentradas de tal manera que se forma una estructura, y la sedimentación sólo puede tener lugar como consecuencia de la compresión de esta estructura. La compresión se produce por el peso de las partículas, que se van añadiendo constantemente a la estructura por sedimentación desde el líquido sobrenadante. NOTA: la eficiencia de la remoción de los sólidos en el tanque de sedimentación determina las cargas subsecuentes en los filtros, y por lo tanto, tiene una influencia notable en la capacidad, duración del ciclo del filtro y calidad del agua filtrada.
5) PROCESOS AERÓBICOS: LODOS ACTIVADOS, LECHOS BIOPERCOLADORES, OTROS Procesos Aeróbicos En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales seincrementa fuertemente el
aporte de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad degradativa crecen proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicas acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de unos mm dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 – 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 – 60% de las mismas se degrada. Lodos activados El proceso de los lodos activados para el tratamiento de aguas negras está basado en proporcionar un contacto íntimo entre las aguas negras y lodos biológicamente activos. Los lodos se desarrollan inicialmente por una aireación prolongada bajo condiciones que favorecen el crecimiento de organismos que tienen la habilidad especial de oxidar materia orgánica. Cuando los lodos que contienen estos organismos entran en contacto con las aguas negras, los materiales orgánicos se oxidan, y las partículas en suspensión y los coloides tienden a coagularse y formar un precipitado que se sedimenta con bastante rapidez. Es necesario un control deoperación muy elevado para asegurar que se tenga una fuente suficiente de oxígeno, que exista un contacto íntimo y un mezclado continuo de las aguas negras y de los lodos, y que la relación del volumen de los lodos activados agregados al volumen de aguas negras que están bajo tratamiento se mantenga prácticamente constante. Lechos biopercoladores Es un proceso de película biológica, que a diferencia de los procesos de tratamiento biológico de las lagunas de estabilización, lagunas aireadas y lodos activados, en los que la biomasa se encuentra suspendida (microorganismos libres en el líquido), los microorganismos están adheridos a un medio soporte inerte. De esta manera, se evita que se pierda la biomasa debido a la percolación del líquido, independizando el tiempo de residencia celular qc del tiempo de residencia hidráulico qh (qc >> qh). Los tiempos de tratamiento son de horas a días.
Los lechos percoladores presentan superficies un poco mayor que los lodos activados, con una estructura habitualmente circular. Consta básicamente de un medio soporte de material mineral o plástico, sobre el cual es distribuido el líquido residual, por medio de un brazo dispersor, con un mecanismo tendiente a uniformizar el vertido del líquido sobre el lecho. En estos el líquido percola y entra en contacto, de esta manera, con la película biológica. El fondo del lecho percolador está constituido por un sistema de drenaje y ventilación del lecho. El piso es inclinado para que el efluente pueda circular hacia
un canal central de drenaje. A través de unfalso fondo, tendiente a soportar la carga del medio soporte, se produce la renovación del aire en el lecho percolador, por medio de aberturas. La aireación en el lecho percolador es natural. El lecho percolador no funciona inundado. La acumulación de líquido es perjudicial, por lo que debe evitarse que se tape para permitir que el líquido escurra libremente. El sistema de tratamiento basado en el lecho percolador, cuenta con un sedimentador secundario tendiente a clarificar el líquido tratado, debido a la presencia del exceso de biomasa que se desprende por escurrimiento del líquido en el lecho percolador. No cuenta con sistema de recirculación de lodos. Sin embargo, parte del líquido tratado se recircula, con dos objetivos: • Diluir el líquido de entrada, y lograr, de esta manera, que la demanda de oxígeno, debido a la materia orgánica, sea suficientemente baja. Si no hubiese recirculación, la demanda de oxígeno puede superar el suministra de oxígeno. • Mantener la carga hidráulica suficiente sobre el brazo distribuidor para que este esté en movimiento permanente. Por otro lado, es esencial, mantener la película biológica húmeda, dado que al secarse ésta muere.
Lagunas aireadas Son embalses de aguas servidas que ocupan una gran superficie de terreno. El agua servida así dispuesta se oxigena mediante aireadores superficiales o difusores sumergidos para generar oxidación bacteriana. Estos dispositivos crean una turbulencia que mantiene la materia en suspensión. El tiempo de residencia normal de este proceso es de 3 a6 días, tiempo en que las bacterias experimentan un crecimiento acelerado, dependiendo de las condiciones climáticas y suponiendo una aireación suficiente. La separación de sólidos de este tratamiento se logra por decantación en un periodo de 6 a 12 horas. La calidad del efluente de este proceso es inferior al de lodos activados, cuya diferencia fundamental es que en el primero no hay recirculación de lodos. Biofiltro dinámico aeróbico Es un filtro que contiene lombrices, a través del cual se hace pasar el agua a tratar (se explica en detalle más adelante). 6) PROCESO ANAERÓBICOS: (RAFA) REACTOR ANAERÓBICOS DE FLUJO ASCENDENTES Proceso anaeróbicos Consiste en una serie de procesos microbiológicos que ocurren dentro de un recipiente hermético, que realizan la digestión de la materia orgánica con producción de metano. Pueden intervenir diferentes tipos de microorganismos, pero es desarrollado principalmente por bacterias. Presenta ventajas frente a la digestión
aerobia: generalmente requiere de instalaciones menos costosas, y no hay necesidad de suministrar oxígeno, por lo que el proceso es más barato y el requerimiento energético es menor. Por otra parte, se produce una menor cantidad de lodos (el 20% en comparación con un sistema de lodos activos). Ejemplos de tratamientos anaeróbicos son los tanques sépticos y los reactores anaerobios que tratan el agua en un sistema sin luz, oxígeno ni movimiento. Los Reactores Anaeróbicos de Flujo Ascendente(RAFA) En términos generales, los RAFA consisten en tanques cuyo caudal afluente ingresa por su sección inferior, recolectándose el agua tratada en su sección superior. El período de retención hidráulica (normalmente de unas 18 horas o mayor dependiendo de la temperatura de operación, tipo de desecho y otras variables), permite que el material contaminante sea estabilizado parcialmente por bacterias anaeróbicas, con la consecuente producción de biogás. Es por ello que se denominan "reactores", ya que en ellos se lleva a cabo la reacción bioquímica o biodegradación. 7) SISTEMA DE TRATAMIENTO POR LAGUNAS El sistema de tratamiento por lagunas ha tenido diversas adaptaciones tecnológicas, según el grado de tratamiento deseado y el momento histórico de su implementación. Desde los primeros registros históricos, hace unos 3000 años, existen hoy en día un par de decenas de miles de lagunas; las mayormenteconocidas y caracterizadas son las 7000 (o más) lagunas en operación en los Estados Unidos, si bien se han implementado muchas en Israel y en América Latina de las cuales no se conocen datos precisos. La implementación de lagunas en Chile, alcanza varias decenas (tal vez un centenar) pero la gran mayoría corresponde a lagunas estáticas, sin aireación y enfrentan graves deficiencias de diseño, generan malos olores, tratamientos muy por debajo de las especificaciones originales y una grave ausencia de protocolos de mantención. El término laguna indica un sistema de retención de aguas, de construcción humana, con cualquier propósito; el propósito suele estar indicado por el término a continuación de laguna. Se encuentran lagunas para regadío, para alimentación de centrales hidroeléctricas, de tratamiento de aguas servidas y muchas otras. Las Lagunas de Tratamiento de Aguas Servidas, algunas veces llamadas de estabilización, tienen como propósito explícito conseguir que las aguas acumuladas en ellas lleguen a cumplir un conjunto de parámetros cuantitativos, fijados por ley, que permitan su descarga al ambiente receptor sin ocasionar problemas ambientales ulteriores. Los parámetros suelen estar relacionados con el potencial de riesgo a la salud pública, la cantidad de orgánicos disueltos, los sólidos suspendidos, las materias grasas, el contenido de nitrógeno orgánico, el contenido de fosfatos, la ausencia de olor y la ausencia de color. Cada nación del mundo regula, soberanamente, los parámetros aplicables, usualmente por sistema receptory/o por
región de aplicación de la regulación (por ejemplo en la regulación por ríos y en la regulación por cuencas). 8) CLASES DE LAGUNAS Las posibles variaciones en lagunas de tratamiento de aguas servidas se pueden clasificar de distintas maneras, pero una de las más habituales las clasifica según la participación del oxígeno disuelto en el sistema: Lagunas Aerobias: una laguna en que se espera (por diseño) que exista oxígeno disuelto en todo el sistema se clasifica como laguna aerobia; Lagunas Anaerobias: si el oxígeno está ausente en toda la laguna se clasifica como laguna anaerobia; Lagunas Facultativas: si el oxígeno disuelto participa sólo en algunas partes de la laguna (por ejemplo en el sector superior) pero existen regiones sin oxígeno (por ejemplo en el fondo) se le clasifica como facultativa. Los términos; aerobia, anaerobia y facultativa se han tomado de la clasificación microbiológica de los microorganismos participantes. La clasificación de microorganismos se basa en diversos conceptos, uno de ellos el mecanismo respiratorio; las bacterias que respiran oxígeno se llaman aerobias; las que respiran mediante mecanismos de óxido reducción sin participación de oxígeno gaseoso son las anaerobias mientras que aquellas que se adaptan a uno u otro mecanismo respiratorio son las bacterias facultativas. Las lagunas pueden también clasificarse según el mecanismo que aporta oxígeno, si es que el oxígeno es necesario. Se encuentran así: Las lagunas aireadas (se aporta aire mediante equipos mecánicos oneumáticos para la transferencia de oxígeno); las de agitación superficial (la agitación promueve el contacto del agua con la atmósfera y transfiere así el oxígeno del aire) y las no aireadas o estáticas (que usualmente se basan en el aporte diurno de oxígeno desde fotosintetizadores, como algas por ejemplo). Similarmente, se pueden clasificar según el grado de mezcla forzada en el sistema; en tal caso se encuentran lagunas de mezcla completa (cualquier volumen de líquido, en cualquier parte de la laguna, tiene la misma composición que cualquier otro) o de mezcla parcial en que se admite una cierta estratificación de sólidos pero se busca asegurar que la potencia consumida consiga aportar estrictamente en oxígeno necesario para la reacción aerobia en todo el volumen de reacción además, existen las lagunas estáticas, suelen llamarse de estabilización, en que no se promueve el mezclado). 9) LAGUNAS AERÓBICAS Se basan en el aporte de oxígeno a partir del crecimiento de fotosintetizadores y permiten obtener efluentes de baja DBO soluble pero de alto contenido de algas, las que debieran ser cosechadas a fin de controlar los cuerpos receptores.
La profundidad debe ser tal que no se alcancen a producir regiones sin oxígeno, sobre todo teniendo presente que la turbiedad impide el paso de la luz solar; se suelen encontrar profundidades de 30 a 45 centímetros y tiempos de retención hidráulicos teóricos (es decir, volumen de la laguna dividido por caudal medio tratado) de 10 a 40 días de modo que el terreno requerido para esta tecnología puede ser intolerablemente grande. La tasa de carga de este tipo de lagunas cae en el rango de 85 a 170 Kg. de DBO5 por hectárea y por día. 10) LAGUNAS FACULTATIVAS O DE ESTABILIZACIÓN Las lagunas facultativas han sido la alternativa más común para tratar aguas servidas de alcantarillado urbano y, si el diseño es correcto, operan adecuadamente para el abatimiento de orgánicos, con una DBO5 de salida de 30 a 40 mg/L e, incluso en algunos casos, el decaimiento de coliformes fecales por debajo del valor de la norma de EEUU de 200 UFC/100 mL. La carga aceptable para estas lagunas cae entre 20 y 60 Kg. DBO5 por hectárea y por día; el tiempo de residenciahidráulico teórico cae en el rango de 25 a 180 días (para abatir coliformes fecales se diseña para, al menos, 180 días) y la profundidad de operación debe estar entre 1,2 a 2,5 metros (de otro modo se transforma en laguna anaeroba; por otra parte, se debe garantizar que el fluido utiliza todo el volumen de la laguna, evitando corto circuitos y regiones muertas). Una laguna de estabilización es una estructura simple para embalsar aguas residuales con el objeto de mejorar sus características sanitarias. Las lagunas de estabilización se construyen de poca profundidad (2 a 4 m) y con períodos de retención relativamente grandes (por, lo general de varios días). Cuando las aguas residuales son descargadas en lagunas de estabilización se realiza en las mismas, en forma espontánea, un proceso conocido como autodepuración o estabilización natural, en el que ocurre fenómenos de tipo físico, químico, bioquímico y biológico. Este proceso se lleva a cabo en casi todas las aguas estancadas con alto contenido de materia orgánica putrescible o biodegradable. Los parámetros más utilizados para evaluar el comportamiento de las lagunas de estabilización de aguas residuales y la calidad de sus efluentes son la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), que caracteriza la carga orgánica; y el número más probable de coliformes fecales (NMP CF/100ml), que caracteriza la contaminación microbiológica.
