Tratamientos de Aguas para Consumo Humano: ETAP (Potabilización)

En las ETAP, el agua recogida es sometida a diversos procesos para eliminar todos aquellos elementos que pueden resultar nocivos para los consumidores.

Procesos Unitarios en la Potabilización:

1. Preoxidación: aireación, cloración, ozonización
2. Desbaste: desengrasado, tamizado, desarenado
3. Sedimentación Simple: decantación primaria
4. Coagulación y Floculación
5. Decantación Secundaria
6. Filtración
7. Desinfección

Captación y Almacenamiento del Agua

La fase de abastecimiento comienza con la captación del agua. De forma natural, se recoge el agua de lluvia, nieve o granizo que ha precipitado sobre la superficie de la cuenca hidrográfica. Gracias a los procesos de escorrentía y filtración, el agua llega hasta los embalses donde se produce su almacenamiento y regulación.

Las aguas superficiales susceptibles de ser destinadas al consumo humano quedan clasificadas, según el grado de tratamiento, en los tres grupos siguientes:

• TIPO A1: Tratamiento físico simple: desinfección, filtración rápida, desinfección.
• TIPO A2: Tratamiento físico normal + Tratamiento químico: desinfección, precloración, coagulación/floculación, decantación, filtración, desinfección.
• TIPO A3: Tratamiento físico y químico intensos: desbaste, desinfección, cloración al breakpoint, coagulación/floculación, decantación, filtración, absorción con carbono activo, desinfección.

Pretratamientos en la Potabilización

1. DESBASTE DE REJAS: Eliminación de sólidos gruesos suspendidos en el agua (restos de vegetales, plásticos, etc.).
2. PREOXIDACIÓN: Al agua bruta se le añade un agente oxidante que inicia el proceso de oxidación y elimina la materia orgánica e inorgánica disuelta en el agua. Objetivo: control de olores, mejorar la separación de las grasas, favorecer la floculación de sólidos, mantener el oxígeno en la decantación aún a bajos caudales, incrementar la eliminación del DBO5. Podemos utilizar el aire atmosférico (aireación) por su contenido en oxígeno, o sustancias químicas como el ozono, cloro o dióxido de cloro (oxidación química), que facilita la eliminación de materia orgánica y del hierro y manganeso disueltos.
3. SEDIMENTACIÓN PRIMARIA O DECANTACIÓN (desarenado): (partículas > 0.2 micrómetros) Eliminación de sólidos finos, desarenado. Las partículas sólidas suspendidas en el agua a tratar pueden sedimentar como partículas discretas por acción de la gravedad formando lodos o barros (a más tiempo de reposo, menor turbiedad).
   Para eliminar las partículas discretas se utilizan los desarenadores, ya que estas pueden afectar al proceso de potabilización por obstrucción o abrasión de equipos mecánicos.
   Desarenador (sedimentador): De flujo lento horizontal con régimen laminar. En depósitos anchos y de poca profundidad, de flujo lento que favorecen la deposición del material.

Tratamientos Físico-Químicos: Coagulación – Floculación

Nos encontramos con coloides (< 0.2 micrómetros) que no han sido eliminadas en la preoxidación y sedimentación primaria, que provoca color y turbiedad al agua.

Mediante la incorporación de sustancias químicas conseguiremos que estas partículas se unan y aumenten de peso propiciando su caída al fondo del decantador.

El proceso de coagulación consiste en añadir productos químicos que desestabilizan los coloides, neutralizando las fuerzas que los mantienen separados. El pH es un factor crítico en este proceso, habiendo un intervalo en que el coagulante trabaja mejor, que coincide con el mínimo de solubilidad de los iones metálicos del coagulante utilizado. También lo son la turbidez y sales del agua. La floculación promueve colisiones entre las partículas desestabilizadas en la coagulación, formando partículas de mayor tamaño, los flóculos.

Agentes coagulantes:

• Alumbre, uno de los más utilizados.
• Aluminato sódico.
• Sulfato ferroso.
• Coagulantes férricos (cloruro y sulfato)

Agentes floculantes:

• Naturales: almidones, derivados de la celulosa.
• Sintéticos: Los más empleados, polímeros de alto peso molecular solubles en agua. Polielectrolitos no iónicos, aniónicos y catiónicos. Su selección: JAR-TEST.

Sedimentación Secundaria o Decantación

Consiste en la eliminación de partículas ya sea por mecanismos de sedimentación o flotación. Las partículas en el caso del tratamiento del agua pueden proceder de sustancias disueltas, que por la vía de oxidación han pasado a insolubles o por las propias partículas coloidales en suspensión existentes en el agua bruta, la mayoría de las cuales por coagulación-floculación han pasado a ser sedimentables.

Tipos de decantación según diseño ETAP:

• Decantación con pretratamiento: el proceso coagulación-floculación se realiza primero por separado y luego el agua floculada pasa al decantador para sedimentar y eliminar los lodos producidos. Se usan equipos de decantación estáticos longitudinales o circulares, que a su vez pueden ser verticales o horizontales.
• Decantación sin pretratamiento: el proceso de coagulación-floculación se realiza dentro del propio decantador. Se usan equipos de decantación dinámica con recirculación de fangos.
• Decantación por flotación: los lodos se eliminan por la parte superior. El aire favorece la flotabilidad de los fangos.

Filtración

El agua decantada es conducida hasta los filtros, atravesando para ello un lecho de arena, donde las partículas que no han sido eliminadas en el proceso de decantación queden retenidas. Se eliminan microorganismos, pequeñas partículas, así como color, olor. Se emplea para obtener una mayor clasificación y transparencia del agua tras la decantación.

Tipos de filtración:

• Rápida: Las partículas se retienen en todo el espesor del medio filtrante. Al cabo de cierto tiempo se necesita lavar el filtro con aire o agua en sentido ascendente a alta velocidad (arrastre de partículas retenidas).
• Lenta: Más barato. Proceso biológico complejo. Elimina color, turbiedad, Fe, Mn y microorganismos al agua. Se compone de una capa de agua natural de 1.5 m de profundidad, un manto de arena silícea donde se producen los procesos de filtración y un falso fondo que recibe el agua filtrada.
• Por adsorción: Consiste en añadir al agua carbón activado o alúmina. Estos adsorbentes atraen los contaminantes que son eliminados posteriormente. Eficaces para eliminar color y olor. Son caros y se pierde masa filtrante en el proceso de lavado.

Desinfección

El agua filtrada se somete a una cloración final para garantizar el mantenimiento de una carga residual a lo largo de la red de distribución.

• MÉTODOS FÍSICOS
  1. Filtración: ayuda a eliminar bacterias, pero por sí solo no puede garantizar la potabilidad del agua.
  2. Rayos ultravioletas: su empleo es muy limitado, ya que se necesita un aparato especial que requiere energía eléctrica para su funcionamiento. Su efectividad es muy reducida en aguas turbias.
• MÉTODOS QUÍMICOS:
  1. Cloro: es el elemento más importante que existe para desinfectar. Se usa en una densidad 0.0001% que destruye los microorganismos en 4 minutos. Además se usa para: eliminar olores y sabores, ayudar a evitar la formación de algas, quitar el Fe y Mn, la coagulación e materias orgánicas.
  2. Ozono: oxidante poderoso. No deja olor pero si sabor, aunque no es desagradable. Es difícil regular su aplicación no tiene acción residual.
  3. Yodo: muy buen desinfectante, necesita un tiempo de contacto de media hora. Muy costoso para emplearse en abastecimientos públicos.
  4. Plata: en forma coloidal o iónica es bastante efectiva. No da sabor ni olor al agua, tiene una acción residual muy conveniente. Su efectividad disminuye con la presencia de cientos de sustancias.

Procesos de Ablandamiento de Aguas Potables: Corrección de la Dureza

• CORRECCIÓN DE LA DUREZA POR PRECIPITACIÓN: Se reduce la dureza por precipitación de las sales cálcicas y magnéticas (hidróxido cálcico, carbonato sódico, hidróxido sódico, fosfato sódico, procesos combinados)
• CORRECCIÓN DE LA DUREZA POR INTERCAMBIO IÓNICO:
  1. Se eliminan las sales cálcicas y magnéticas por intercambio iónico con: zeolitas, permutitas, resinas catiónicas.
  2. Se eliminan todas las sales con resinas aniónicas y catiónicas.

Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR)

El tratamiento convencional de aguas residuales urbanas que se da en una EDAR se divide en las siguientes etapas:

Tratamiento Previo o Pretratamiento:

Operaciones de separación física cuya finalidad es la de separar el flujo de las partículas y los objetos que, arrastrados por el agua, podrían ocasionar averías o perturbaciones en los equipos de instalación. Se efectúa en dos etapas claramente diferenciadas:

1. Desbaste o cribado: Eliminación de sólidos de mayor tamaño y más pesados en un pozo grueso por medio de una cuchara anfibia. Después, las rejas de gruesos eliminan los sólidos grandes flotantes, y posteriormente, las rejas de finos retienen los sólidos flotantes mayores de 10 mm, que son evacuados a un contenedor por medio de una cinta transportadora.
2. Desarenado-Desengrasado: se realiza en los desarenadores-desengrasadores donde, gracias al aire aportado por varias soplantes a través de unos difusores, flotarán las grasas y aceites que son recogidos a un pozo desde el cual se bombea a un contenedor. Al mismo tiempo, la arena desprovista casi en su totalidad de materia orgánica sedimentará y será evacuada a través de bombas al clasificador de arenas y posteriormente a un contenedor.

Tratamiento Primario:

Es el proceso de sedimentación que elimina el 40-65% de los sólidos en suspensión como un fango concentrado que será tratado posteriormente. También incluye otros procedimientos de separación específicos para eliminar grasas y aceites que normalmente flotan en el agua residual.

Una estación depuradora puede tener decantadores situados en dos puntos diferentes. El que se encuentra justo a continuación del desarenador-desengrasador se llama decantador primario. El otro, que va detrás del proceso biológico se llama decantador secundario. La principal diferencia entre ellos reside en la densidad de fangos producidos (fangos primarios más densos que los secundarios). El efluente en un decantador secundario es normalmente más limpio.

Decantación primaria (sedimentación): Poblaciones > 10000 hab. El agua decantada tras el proceso de desengrasado y desarenado pasa a la cámara de reparto que distribuye el agua a los diferentes decantadores primarios, unos funcionan en continuo decantando el agua desbastada y otros quedan de reserva y se utilizan como estanques de tormentas recibiendo y acumulando los caudales en exceso por lluvias o tormentas. Retienen flotantes y recoge los fangos sedimentados para purgarlos.

Operaciones: sedimentación, flotación con aire, coagulación y neutralización (ajustar pH antes de su tratamiento biológico 6.5 – 8.5).

Tratamiento Secundario o Biológico:

La materia orgánica se degrada por los microorganismos que la utilizan como sustrato para su desarrollo junto a nutrientes dando como productos finales nuevos microorganismos y productos químicos oxidados como dióxido de carbono, sulfatos y nitratos. El proceso suele efectuarse en medio aerobio en sistemas como lechos bacterianos, fangos activados, estanques de aireación, etc.

Este proceso simula la autodepuración. Tiene por objetivo eliminar la DBO y los SS del agua mediante la transformación de materia orgánica disuelta en sólidos sedimentables. La decantación secundaria se producirá tras el proceso biológico (clarificación final).

Tipos de tratamientos:

• Oxígeno libre: Sistemas aerobios, anaerobios, combinados.
• Estado de los microorganismos: suspendidos, adheridos, combinados.
• Proceso utilizado: lodos activos, biodigestión, lagunas de estabilización.

Depuración AEROBIA: El tratamiento biológico más común se realiza en reactores aerobios. Los procesos biológicos de depuración aerobia son los que realizan determinados microorganismos que en presencia de oxígeno actúan sobre la materia orgánica e inorgánica disuelta, suspendida y coloidal existente en el agua residual, transformándola en gases y materia celular, que puede separarse fácilmente mediante sedimentación.

La unión de materia orgánica, bacterias y sustancias minerales forman los flóculos y el conjunto de flóculos es el fango biológico.

Básicamente existen dos tipos de tratamientos biológicos aerobios:

• Fangos activados (procesos de cultivo en suspensión): desarrollan un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculo en un depósito agitado y aireado. Problema: Lodo abultado o Bulking: crecimiento excesivo de bacterias filamentosas; espumas y costras café en superficie del agua.
• Lechos bacterianos (procesos de cultivo fijos): hacen caer el agua, previamente decantada en forma de lluvia, sobre una masa de material de gran superficie específica que sirve de soporte a los microorganismos.

Problemas del proceso biológico y decantación secundaria: Concentración inadecuada de microorganismos, evacuación excesiva/insuficiente de fangos, disminución o exceso de oxígeno.

Tratamiento de fangos: Se utiliza para tratar los lodos de las etapas primaria y secundaria que contienen todavía grandes proporciones de materia orgánica:

• Filtración y secado de los lodos, lagunas de fango o procesos de concentración y combustión.
• La digestión anaerobia requiere inversiones cuantiosas, controles de temperatura, PH y ausencia de oxidantes. Se utiliza para cubrir las necesidades energéticas de las propias instalaciones.

Los objetivos del tratamiento de fangos son:

1. Concentración: Reducción de volumen del fango eliminando el agua que se reutiliza: espesamiento, deshidratación, flotación.
2. Estabilización (Disminuir el contenido en materia orgánica): digestión aerobia, digestión anaerobia, incineración.
3. Secado: Reducción de volumen (concentración): centrifugación, deshidratación.

Espesamiento por gravedad: libera el agua ocluida en los flóculos de los fangos, produciendo espesamiento de los mismos.

Espesamiento por flotación: Se concentran los fangos y se mezclan con agua presurizada, aire y reactivos, los fangos flotan y se recogen.

Deshidratación: En máquinas de filtrado y se reutilizan en agricultura como abono.

Tratamiento Terciario:

Eliminan de las aguas depuradoras restos de especies químicas o biológicas aún presentes. Los procesos utilizados son específicos para cada sustancia que se pretende eliminar del agua y son los menos desarrollados de la tecnología de tratamiento de aguas residuales y que más preocupan con vistas al futuro. Por ejemplo: los organoclorados, por su bioacumulación o los nutrientes, por el proceso de eutrofización, eliminación de olores y sabores, etc.

• Desinfección con oxidantes fuertes, como cloro y ozono.
• El resultado es un agua tratada con una concentración de sales mayor.