Tratamiento de Aguas Residuales

Caudales de Aguas Residuales Industriales

Identificación de caudales (Tipo de industria):

• Procesos continuos: Caudal fácil de identificar. Se deben considerar las curvas de duración de caudales, sólidos en suspensión (SS), demanda química de oxígeno (DQO) y demanda biológica de oxígeno (DBO).
• Procesos discontinuos

Características de Aguas Residuales

Principales contaminantes en aguas residuales industriales: Sólidos suspendidos, salinidad, variaciones de pH y temperatura, grasas y aceites, materia orgánica, contaminantes específicos.

Proceso de Tratamiento de Aguas Residuales

Proceso general:

• Pretratamiento: Elimina sólidos mediante operaciones físicas como desbaste, desarenado, desengrase, tamizado y homogeneización.
• Tratamiento primario: Elimina sólidos en suspensión y parte de la materia orgánica mediante procesos como regulación del pH, coagulación, decantación y flotación.
• Tratamiento secundario o biológico: Elimina la materia orgánica biodegradable por autodepuración natural, utilizando lechos bacterianos, fangos activados y decantación.
• Tratamiento terciario: Tratamiento adicional para eliminar cualquier contaminante residual indeseable.

Pretratamiento

Proceso para habilitar el agua a procesos posteriores. Incluye procesos físicos para quitar arenas (canales de desarenado), sólidos flotantes (flotación y rejillas de desbaste), aceites y equilibrado de caudales. La homogeneización prepara el agua para el tratamiento primario. A veces se utiliza un pretratamiento químico.

Tratamiento Primario

Denominado clarificación, sedimentación o decantación.

Objetivo: Decantar para producir un efluente líquido de calidad aprovechable para el siguiente tratamiento.

Beneficios: Reducción de sólidos en suspensión, DBO₅ y fangos activados, separación de material flotante, homogeneización de caudales.

Criterios de diseño:

1. Velocidad ascensional (carga superficial)
2. Profundidad
3. Geometría superficial
4. Carga sobre vertedero
5. Variaciones de caudales del afluente

Decantación primaria mejorada químicamente: Adición de coagulantes para separar más fácilmente la materia fina.

Tratamiento Secundario

1. Biodegradación de la materia orgánica en productos no contaminantes (ejemplo: H₂O, CO₂ y biomasa).
2. Debe estar bien estabilizado y oxigenado para que no sea fuente de alimento para las bacterias aeróbicas (cultivos de suspensión, cultivos fijos o cultivos duales, para crecimiento de capa bacteriana).

Fangos activados: La materia orgánica será consumida por microorganismos (bacterias, algas, protozoos, etc.) que necesitarán carbono para vivir. Del tanque biológico a sedimentación final, se separa el agua del sólido que aún lleva (el fango se recircula al tanque biológico para mantener los microorganismos).

Microbiología

Para que la célula pueda vivir y reproducirse, necesita una fuente de energía y un suministro de carbono. El carbono se suministra a través de la materia orgánica del agua residual y del anhídrido carbónico. La energía proviene del sol o de una reacción de oxidación-reducción. Cuando utilizan el carbono orgánico se llaman heterótrofas, que son las más abundantes en las aguas residuales urbanas. Si emplean el anhídrido carbónico se llaman autótrofas. Las rotíferas se encuentran cuando el periodo de aeración es extenso. La cantidad de microorganismos existentes en un fango activo aumenta con el tiempo. Al inicio del proceso, cuando la comida es abundante, las bacterias se desarrollan exponencialmente. Posteriormente, a medida que la comida escasea, el proceso de formación de bacterias decrece, para empezar a continuación a decrecer. Llegará un momento en que la comida no exista, por lo que la masa microbiológica subsiste usando sus propias reservas; a esta fase se llama endógena.

Parámetros de Diseño

1. Carga volumétrica: Relación entre la contaminación diaria a eliminar y el volumen de la zona de aeración.
2. Edad del fango: Tiempo medio que una partícula permanece en el tanque de aeración. Se expresa por la relación entre la masa de fangos en la aeración y la cantidad diaria de fangos que se extraen del proceso.
3. Oxígeno consumido: El oxígeno es continuamente consumido en un proceso biológico, por lo que siempre debe existir en la zona de aeración, con un valor mínimo de 2 gr/m³. El oxígeno que debe añadirse está en relación inversa con la carga másica.
4. Decantabilidad del fango

Tratamiento Secundario: Sistema de Fangos Activados

Tipos de reactores:

1. Reactores de mezcla completa: De forma circular, cuadrada o rectangular. La aireación puede ser proporcionada por turbinas o por sistemas de aireación por medio de difusores de burbujas sumergidas. Este sistema es conveniente para aguas residuales industriales de alta carga orgánica. La edad del lodo está entre 3 y 4 días. El rendimiento es superior al 90%.
2. Reactores de pistón fijo: El más antiguo. Se basa en un tanque de aeración seguido de un decantador, con una recirculación de fangos. El tiempo de aeración está entre 5 y 6 horas. El fango activado que se deposita en el decantador secundario se recircula de nuevo al aireador. La edad del lodo está entre 3 y 4 días. Entre las ventajas que presenta el sistema de flujo en pistón se incluye la capacidad para tratar por completo todo el afluente y evitar que ningún elemento quede sin tratar.
3. Reactores de mezcla escalonada: El agua entra por varios puntos a lo largo del reactor, eliminando el problema que se origina en la entrada de los reactores, donde la demanda de oxígeno es alta. El lodo recirculado se introduce en la entrada de aeración.
4. Aireación graduada: Derivación del pistón. Suministra la cantidad de oxígeno necesaria en cada zona según las necesidades. A medida que el agua residual recorre el tanque, la contaminación disminuye, lo que origina una menor demanda de oxígeno. Menor consumo de potencia y menor costo de explotación.
5. Contacto estabilizador: La aireación se lleva a cabo en dos fases y dos reactores diferentes, una a alta carga y la otra a media carga. El agua bruta se mezcla durante un tiempo muy corto con el fango recirculado [20-40 minutos]. En el segundo reactor, denominado tanque de estabilización, con un tiempo de retención entre 2 y 3 horas, se eliminan los sólidos en la zona de decantación y se estabilizan posteriormente con reaireación antes de combinarse con el agua residual afluente.
6. Canal de oxidación: La cuba de aeración suele tener una configuración de “hipódromo” con unos aireadores de cepillo dispuestos en uno o más puntos.
7. Reactor secuencial discontinuo: Sistema de fango activado de mezcla completa, aunque sin decantador secundario. Aireación y decantación se llevan a cabo en una misma cuba.
8. Sistema de cultivo fijo: Cuando el agua residual orgánica se “riega” sobre piedras o plástico, en su superficie se desarrolla una fina capa microbiana. En la actualidad, la piedra ha sido sustituida por material plástico para favorecer el crecimiento microbiano, ya que este posee una relación mucho mayor entre área superficial y volumen.

Otros sistemas:

• Filtros percoladores: Sistemas versátiles, capaces de tratar un residuo de baja carga orgánica y obtener un efluente de alta calidad o de actuar como pretratamiento para aguas residuales de alta carga orgánica.
• Biotorres: Utilizan un relleno plástico alcanzándose cargas tanto hidráulicas como orgánicas superiores a los filtros percoladores de piedra. Para aguas de alta carga orgánica o en la industria láctea.
• Biodiscos: Un cilindro de eje horizontal gira dentro y fuera de un tanque de retención del agua residual. Cuando el disco gira se crea una capa de biomasa en su superficie y el agua residual entra en contacto con la biomasa y el aire. Los microorganismos en la biomasa separan la materia orgánica del agua residual.

Eliminación de Nutrientes

Nitrógeno

Proceso de doble etapa:

1. Nitrificación: Depende de las poblaciones de bacterias nitrificantes, temperatura, concentración de amoníaco, sustrato orgánico, etc.
2. Desnitrificación: Biológicamente se alcanza bajo condiciones anóxicas, es decir, en ausencia de oxígeno. La energía necesaria para la desnitrificación procede de la materia orgánica presente en el agua residual.

Fósforo

(Detergentes, fertilizantes, residuos humanos, alimentos, etc.). Se elimina el fósforo para limitar la demanda de oxígeno, limitar el efecto tóxico, la incidencia en la producción de agua potable y limitar la eutrofización del medio natural.

Dos procesos:

1. Precipitación química
2. Procedimientos biológicos: Se basa en la idea de forzar a los microorganismos a que retengan más fósforo del que necesitan para su crecimiento. La eliminación biológica del fósforo se desarrolló cuando se identificó que se favorecían las capacidades de almacenamiento de fósforo por parte de las bacterias cuando estas se exponían alternativamente a ambientes anaerobios y aerobios.

Procesos Avanzados

Afino del afluente, eliminación de compuestos tóxicos. La desinfección de agua residual no es común en la mayor parte de Europa, mientras que la desinfección de los suministros de agua potable es una imposición legal.

1. Métodos: Filtración en medio granulado, absorción, tratamiento químico, lavado con aire, cloración.
2. Con: cloro, ozono, dióxido de cloro y radiación ultravioleta.

Difusores para Aguas Residuales

Cuando el agua residual se depura finalmente hasta el estándar necesario, se vierte a un medio de agua dulce o de agua de mar. Si el caudal de vertido es bajo, se puede efectuar mediante una tubería. Para una disolución adecuada, diseñar y emplazar un emisario (chorro circular o corte continuo a lo largo de la tubería) apropiadamente proyectado.