Introducción al Tratamiento de Aguas Residuales

El tratamiento de aguas residuales es una operación clave en la industria de procesos. Ya sea para cumplir con normas ambientales o para evitar impactos negativos en los cuerpos de agua cercanos, es conveniente que todo ingeniero conozca los fundamentos del tratamiento de aguas residuales, y las tecnologías existentes para alcanzar las metas de tratamiento requeridas.

Planta de Tratamiento de Agua

El Problema: los Impactos Ambientales

La eliminación de aguas residuales no tratadas produce impactos ambientales negativos en los cursos de agua receptores, en función de la concentración de contaminantes que dichas aguas contengan.

Al arrojar sustancias al agua por debajo de ciertas concentraciones limites, se inicia un proceso de autodepuración, debido a diversos microorganismos (tales como bacterias y algas). Estos microorganismos descomponen los desechos, metabolizándolos y transformándolos en sustancias simples, como dióxido de carbono, nitrógeno, etc. Este proceso se aplica a sustancias orgánicas, como detergentes y fenoles, y también a algunas sustancias inorgánicas, ya que hay microorganismos capaces de absorber ciertos metales, incorporándolos a sus células.

Si las sustancias arrojadas poseen una alta concentración de materias tóxicas, los microorganismos son destruidos y de este modo se anula la autodepuración. Además pueden morir organismos más grandes, como peces, crustáceos, y plantas acuáticas, por intoxicación o por falta de microorganismos para alimentarse. Estos a su vez pueden intoxicar al resto de la fauna que conforma la cadena alimentaria, eventualmente llegando hasta el hombre.

Los metales pesados y sustancias de difícil descomposición, tales como DDT y otros plaguicidas

, son venenosos y su efecto puede no apreciarse a corto plazo. Pero con el paso del tiempo, se acumulan dentro de los organismos y pueden llegar a matarlos. Este proceso de bioacumulación también puede ocurrir en el cuerpo humano. Por no apreciarse rápido sus efectos, es más complejo establecer límites para el vertido de este tipo de sustancias.

Los vertidos con gran temperatura producen alteraciones importantes, ya que disminuyen la solubilidad del oxigeno en el agua. Al disminuir la solubilidad del oxígeno, disminuye su concentración, la cual es indispensable para la vida acuática aerobia. Adicionalmente, un aumento de temperatura acelera el metabolismo de los organismos. Si la temperatura es suficientemente alta, puede incluso matar a los microorganismos, de manera similar a la pasteurización.

Los efluentes ácidos o alcalinos matan a los microorganismos por envenenamiento con hidrogeniones o hidroxilos, por lo que se hace necesaria la neutralización previa de los mismos.

La eutrofización es otro problema resultante del vertido de líquidos con alto contenido de nutrientes orgánicos, tales como efluentes cloacales, o nitratos y fosfatos provenientes de fertilizantes y detergentes. Estos vertidos producen un enriquecimiento de las aguas, resultando en un crecimiento desmedido de algas que llegan a cubrir grandes extensiones. Estas algas al morir se pudren y despiden malos olores que afectan a los habitantes, turistas y pescadores. Además, algunas algas producen toxinas que afectan a los peces. Otro problema de la eutrofización es que la cantidad de algas llega a atascar los filtros en las tomas de agua, o a reducir su eficiencia.

Con el paso de los años, los restos de algas se van sedimentando en el lecho de los lagos, pudiendo llegar a convertirlos en un pantano. Este proceso, que en la naturaleza demoraría millones de años, puede producirse en pocas décadas por efecto de las actividades humanas. Los efectos que este tipo de efluentes tienen sobre el equilibrio ecológico hacen que su tratamiento previo al vertido sea necesario.

Reglamentación sobre Vertido de Aguas Residuales

La legislación establece límites de seguridad y normas para el volcado de efluentes a cursos de agua. Las normativas de control de vertido de líquidos residuales varían de acuerdo al país. Dichas normativas suelen aplicar a todos los establecimientos industriales, comerciales y otros (hospitales, escuelas, clubes, etc.), cuyos líquidos no satisfagan ciertas condiciones mínimas de vuelco. En ese caso, dichos establecimientos deben ser dotados de instalaciones de tratamiento, estableciéndose tramites a realizar, condiciones de ejecución de las obras, inspecciones, y matrículas que habilitan para actuar en esas obras.

Las condiciones de vertido usualmente se establecen para vuelcos a:

  • colectora cloacal
  • conducto pluvial cerrado
  • conducto pluvial abierto o curso de agua superficial
  • pozos negros o campos de drenaje no conectados a acuíferos

Las condiciones de vuelco serán establecidas en cada caso particular cuando se efectúen a:

  • Lagos o lagunas cerradas
  • Cursos de agua no permanentes

A modo de ejemplo, se citan algunas variables y valores de referencia que suelen utilizarse:

  • Límites de pH, que en todos los casos son mínimo 5,5 y 10,0 como máximo
  • Concentraciones límite de diversas sustancias, que están en el orden de miligramos por litro
  • Cantidad de sólidos sedimentables en 10 min y en 2 horas
  • Temperatura máxima, que en todos los casos suele ser 45º C
  • Demanda Bioquímica de Oxígeno: es un criterio para medir la contaminación orgánica basado en el consumo de oxígeno de un cultivo de microorganismos
  • Demanda Química de Oxígeno: similar al anterior, pero basado en oxidación química mediante un oxidante fuerte normalizado (dicromato potásico en medio sulfúrico)
  • Hay tablas de valores limites para cada sustancia, a distintas diluciones, a distintas distancias de las instalaciones de toma de agua y para cada caso de vuelco
  • Hay sustancias que directamente no se permiten, como líquidos coloreados o de olor ofensivo, gases tóxicos o malolientes o sustancias capaces de producirlos, sustancias que puedan producir gases inflamables, residuos que produzcan obstrucciones, y sustancias capaces de producir corrosión o incrustaciones
  • Las sustancias radiactivas tienen límites de pocos pico-curies por litro

Tecnologías de Tratamiento

Los ingenieros disponen de un arsenal completo de opciones tecnológicas para atacar el problema de las aguas residuales. Las tecnologías pueden involucrar tratamientos físicos, químicos o biológicos del efluente. A continuación se detallan los fundamentos de cada tecnología.

Tratamientos Físicos

Los efluentes industriales que contienen elementos insolubles en suspensión son sometidos a tratamientos físicos para separarlos, evitando de esa forma que contaminen o dificulten posteriores etapas del tratamiento.

Las sustancias más comunes que se suelen encontrar en el efluente son:

  • Materias grasas flotantes: grasas, aceites, hidrocarburos alifáticos, alquitranes, etc.
  • Sólidos en suspensión: Arenas, óxidos, pigmentos, fibras, etc.

Los tratamientos físicos más comunes son:

Desbaste: Se retienen los sólidos grandes mediante rejas adecuadas. La separación entre barrotes de la reja varía según el uso, típicamente desde 100 mm a 3 mm entre barrote y barrote. Pueden poseer sistemas de limpieza automática o manual.

Dilaceración: Tiene por objeto desintegrar o triturar los sólidos arrastrados. Los equipos clásicos son cilindros giratorios verticales con ranuras horizontales, en las cuales entran peines cortantes fijos. El agua entra al tambor y los sólidos son triturados entre las ranuras y los peines.

Desarenado: Consiste en separar las arenas y otros materiales minerales. Se efectúa en instalaciones que rascan la arena del fondo empujándola a fosas laterales, o mediante equipos continuos a presión.

Desaceitado: Se utilizan equipos que, mediante rasquetas en cintas transportadoras, hacen un barrido de fondo y de superficie, que permite a las gotas de aceite flotar y ser separadas.

Flotación: Se mezcla el agua residual con agua a presión. Al salir ambas por un tubo se forman burbujas que arrastran a la superficie partículas de aceite o fibras que allí se separan fácilmente.

Decantación de lodos: Se usa un equipo en el que el agua se introduce en una campana por vacío, luego se abre una válvula y el agua sale rápidamente por orificios en tubos en el fondo. Por la diferencia de densidad, el agua sube y los lodos no, por lo que éstos se concentran en el fondo y son retirados mediante sifones. El agua clarificada queda en la superficie.

Filtración: Es muy poco usual en el tratamiento de aguas residuales, y solo se efectúa en caso que normas muy estrictas la requieran. Se usan tanques con grava, arena u otros medios filtrantes.

Desgasificación: Consiste en separar gases o materias volátiles disueltas en el agua. Se efectúa mediante flujo contracorriente con otro gas (que puede ser vapor de agua), con equipos de gran superficie de contacto, mediante pulverización y a veces con uso de rellenos.

Tratamientos Químicos

Cuando los contaminantes están disueltos, se recurre a tratamientos químicos para precipitarlos, neutralizarlos, oxidarlos o reducirlos, según corresponda. A continuación se enumeran los principales tratamientos y cuándo se aplica cada uno:

Precipitación: Se aplica a metales, tóxicos o no - Fe, Cu, Zn, Ni, Be, Ti, Al, Pb, Hg, Cr. Estos metales precipitan en cierta zona de pH. También se precipitan sulfitos, fosfatos, sulfatos, y fluoruros por adición de Ca++. Precipitan como sales o complejos de hierro los sulfuros, fosfatos, cianuros, y sulfocianuros.

Oxidación-reducción: La necesitan los cianuros, el cromo hexavalente, los sulfuros, el cloro, y los nitritos. Los reactivos más usados para oxidación son hipoclorito sódico, cloro gaseoso, y H2SO5 (Acido de Caro o peroxisulfurico). Para reducción, los reactivos más usados son bisulfito sódico y sulfato ferroso.

Neutralización: Se utilizan los ácidos clorhídrico, nítrico, sulfúrico, fluorhídrico, y diversas bases. A veces, en la industria de procesos se neutraliza un efluente ácido con un efluente básico, con posterior ajuste final de pH. Esto permite economizar reactivos.

Intercambio iónico y ósmosis inversa: Se utilizan sales de ácidos y bases fuertes y compuestos orgánicos ionizados (intercambio iónico), o presión sobre membranas, en el caso de la ósmosis inversa.

Siempre que es posible, se recuperan sustancias para su recirculación. Esto disminuye la contaminación y reduce las compras de reactivos o materias primas. Esta recuperación no siempre es posible, ya que los procesos son a veces demasiado costosos, y por lo tanto poco rentables. En esos casos, los efluentes tratados se desechan.

Los procesos pueden realizarse en reactores decantadores muy diferentes, tales como:

  • Flotadores
  • Reactores especiales con eyectores, hélices, rascadores de precipitado, turbinas, etc.
  • Clarificadores de fango

Los tratamientos efectuados en estos equipos son fisicoquímicos, ya que se producen tanto reacciones químicas como separaciones físicas.

Tratamientos Biológicos

Estos tratamientos se basan en el uso de microbios que descomponen y asimilan las sustancias presentes en el efluente. Los dos tratamientos más importantes son lodos activados y sistemas de película fija.

Lodos activados: Estos tratamientos se efectúan en grandes estanques con una suspensión de microbios que forman un barro o lodo activado. Se agrega el agua contaminada y los microorganismos van descomponiendo los contaminantes en sustancias simples, o asimilando otras sustancias en su interior. Luego se efectúa una decantación para separar los lodos, se obtiene agua tratada y parte de los lodos se envía de nuevo al estanque. Los lodos a reusar son estabilizados previo contacto con el agua residual.

Para que el sistema funcione, debe contar con agitación y aireación adecuada. También se suelen agregar nutrientes para promover la actividad de los lodos.

El sistema tiene muchas variantes, que tienen distintos sistemas de aireación, concentración de lodos, y caudal de ingreso de aguas residuales. Los más avanzados utilizan oxigeno puro en un sistema hermético y con una campana se extraen los gases producidos.

Sistemas de película fija: En este sistema, las partículas activas forman una película que está adherida en paredes o en rellenos de distinto tipo. Al pasar el agua residual por estas paredes o rellenos, entra en contacto con las películas microbianas y se va depurando.

Los tratamientos de tipo biológico son adecuados para aguas residuales con alto contenido de materias orgánicas, pero no están limitados a ellas. Se conocen bacterias capaces de asimilar metales pesados y fosfatos. De hecho, casi cualquier residuo puede ser descompuesto mediante algas o bacterias adecuadas, ya sean naturales u obtenidas artificialmente por ingeniería genética.

Otras Tecnologías

Además de los tratamientos descriptos en este artículo, cabe mencionar que siempre se están desarrollando nuevas técnicas y optimizando las existentes. Esto incluye operaciones como ozonización, tratamiento con rayos ultravioletas, intercambio iónico, y otras.

Conclusiones

Si bien el tratamiento de aguas es un área tradicional de la Ingeniería Química, está siempre vigente. Las normativas ambientales estrictas, la presión social, y en muchos casos la escasez de agua de una región, obligan a incrementar cada vez más los niveles de tratamiento para efluentes industriales y municipales.

Los ingenieros en ejercicio disponen de un amplio conjunto de tecnologías para alcanzar las metas de tratamiento requeridas para cada aplicación particular. El estudio y conocimiento de estas tecnologías es fundamental para tomar decisiones acertadas en cada proceso.

Puedes continuar leyendo un caso práctico de diseño de planta de tratamiento de aguas residuales.

* Este artículo se basó en una nota originalmente preparada por emilio, y posteriormente editada por Federico Scodelaro.

Hay 20 comentarios

INTERESANTE ARTICULO MUY BASICO PARA LA INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS. FELICITACIONES ESPERAMOS MAS NOVEDADES

kely merino-perú

kely merino-perú

Muy bueno que en el mundo existan personas que se tomen el tiempo para tratar y hablar sobre la problematica del agua,ojala todos coloquemos un grano de arena para segur cuidando de ella

Buenos dias Señores:

Trabajo como tecnico de aguas, aunque mi saber y experiencia son empiricas quiero saber como se hace para tener un amplio conocimiento en el Tratamiento y operacion de aguas Potables, residuales o incluso industriales.

gracias

Les agradezco

muchas gracias ,la verdad tengo muchas dudas y me gustaria que me ayuden a absorberlas con migo , y de alguna manera yo contribuire con todos dela comunidad .....

MUY BUENO LO COMPARTI EN TWITTER ESPERAMOS NUEVAS PUBLICACIONES ME GUSTARIA COMENTARLO CON MIS COMPAÑEROS Y AMIGOS EN LA UNIVERSIDAD

Interesante e informativo artículo, aunque faltaba incluir los sistemas de tratamiento biológicos anaeróbicos (digestión anaeróbica).

Un articulo bastante reelevante sin lugar a dudas; en mi opinion el texto no carece de la presencia de aspectos primordiales, buena formulacion y redaccion.

muy buen articulo estoy iniciando un proyecto para la fabricacion de plantas y me gustarias conocer mas sobre esto

La investigación el tratamiento de aguas es un área que siempre debe estar activa. Tal y como refleja el artículo, la necesidad a la que se ven sometidas muchas comunidades debido a la escasez de agua hacen que el tratamiento de las mismas sea esencial. Enhorabuena por el post.

buenas es un gran tema que se debe tratar porque cada ves el agua se va agotando y se deberian realizar trampas de tratamientos en viviendas para el tratamiento en aguas grises..

buenas soy estudiante de ingenieria de sistemas en el 6 semestre mi proyecto de grado se basa en relizar un mecanismo de tratamiento de aguas grises en viviendas unifamiliares ya los hay pero mecanicos quiero con mi experiencia y mi carrera realizarlo computarizado y necesito un ingeniero quimico que quiera entrar en mi proyecto se del tema porque trabaje como auxiliar ambiental en una petrolera.. el que quiera saber bien de lo que quiero mejorar y actualizar mi correo es [email protected] mi nombre es Wilmer Ferney Tarazona Beltran soy de colombia no importa el pais que sea lo importante es que quiera saber de mi proyecto gracias

Gracias, muy buen artículo
Resume el tratamiento de aguas en forma concreta y completa

Excelente como introducción, voy mas que preparada para mi taller sobre este tema.Gracias.

Saludos!!

EXCELENTE ARTICULO, QUISIERA SABER EL NOMBRE COMPLETO DEL AUTOR PARA PODER REGISTRARLO EN UNA PRESENTACIÓN QUE HARÉ DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, SALUDOS

Muy buenas n artículo me gustó mucho gracias por ampliar mis conocimientos a cerca del tema

Excelente artículo, un par de pregunta. si mi agua a tratar tiene PH entre 7 a 8, aún así necesito la cal para ajustar el PH?, cómo aumento la velocidad de sedimentación del sólido formado en el tratamiento del agua residual?
Saludos

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