Gestión y Tecnologías Avanzadas en Plantas de Aguas Residuales

Tipos de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

Las plantas de tratamiento de aguas residuales son de dos tipos de propiedad: particulares y públicas.

Las primeras buscan ser de última generación y de alta eficiencia, de forma que los costos de operación sean mínimos, con personal altamente calificado y poco personal, sistemas muy automatizados, con rápida respuesta a cualquier eventualidad y facilidad para su reemplazo y modernización.

Las de tipo público están sujetas a disponibilidad presupuestaria, por lo que generalmente no son de tecnología de punta y su eficiencia no es muy alta. Por facilidades laborales se prefieren aquellas menos tecnificadas y que sean operadas por mayor personal no calificado, pero con entrenamiento específico. La disponibilidad de reparaciones y modernización es lenta, sujeta a procedimientos burocráticos y de licitaciones, así como a las limitaciones presupuestarias.

Administración y Costos de Plantas de Tratamiento

Los costos para operar una planta de tratamiento se pueden separar en dos conceptos:

• Costos iniciales o de infraestructura
• Costos operativos

Los primeros consideran los costos de los estudios de factibilidad, ingeniería básica, proyecto ejecutivo y la construcción de la planta. Se considera generalmente como un costo global, llamado Costo de Infraestructura (CI).

Los segundos corresponden a la operación de la planta y se consideran los siguientes:

• Costo de operación (CO): Reactivos, energía, combustibles, sueldos y salarios del personal que participa directamente en la operación de la planta.
• Costo de administración (CA): Papelería, teléfonos, vehículos, combustible, sueldos y salarios del personal que no participa directamente en la operación de la planta.
• Costos de Mantenimiento (CM): Mantenimiento correctivo y preventivo del equipo, sistemas y líneas de energía.

El costo unitario o costo por metro cúbico se determina según la siguiente fórmula:

CU = (CO + CA + CM) / (K * V) + CI / (K * Vu * V)

donde:

• K es el coeficiente de eficiencia recaudatoria, es decir, el porcentaje de usuarios que pagan o pueden pagar el servicio, descontando a los morosos o quienes no pagan.
• V es el volumen anual a tratar por la planta.
• Vu es la vida útil de la planta.

Los costos generalmente son inferiores a $1/m³, cuando la planta es operada con eficiencia y eficacia.

Cálculo del Costo Unitario

Véase el siguiente ejemplo:

• CO = $3.000.000 /año
• CM = $1.500.000 /año
• CA = $2.000.000 /año
• CI = $125.000.000
• Gasto de operación: 800 lps = 0.8 * 86400 * 365 = 25.228.800 m³
• Vida útil: 20 años
• K = 0.93

CU = (3.000.000 + 1.500.000 + 2.000.000) / (25.228.800 * 0.93) + 125.000.000 / (20 * 25.228.000 * 0.93)

CU = $0.54/m³

Tratamiento Avanzado y Terciario de Aguas Residuales

El Tratamiento Avanzado de Aguas Residuales es necesario cuando las sustancias halladas en el agua residual se ven poco o nada afectadas por los procesos o operaciones y tratamientos convencionales. Estas sustancias van desde iones inorgánicos relativamente simples como el calcio, potasio, nitrato, sulfato y fosfato hasta un número creciente de compuestos complejos orgánicos sintéticos.

Aunque el efecto de estas sustancias sobre el medio ambiente no se conoce bien, las exigencias de los tratamientos serán más rigurosas en lo que se refiere a la concentración tolerable de muchas de estas sustancias en el efluente de las plantas.

Sustancias Recalcitrantes y sus Efectos

En la siguiente tabla se presentan algunos componentes químicos típicos que pueden hallarse en las aguas residuales y sus efectos.

El tratamiento terciario o Avanzado es de gran interés hoy en día por la necesidad de obtener mejor calidad del agua. Por estos motivos se presentarán algunos procesos utilizados con éxito en la actualidad o que parecen más prometedores o innovadores.

Procesos de Tratamiento Avanzado

Destilación

La Destilación es una operación unitaria en la que los componentes de la solución líquida son separados mediante vaporización y condensación del líquido.

Fraccionamiento de Espumas

El Fraccionamiento de Espumas significa la separación de la materia coloidal y suspendida por flotación y de la materia orgánica disuelta por adsorción. Cuando se burbujea aire en el agua residual se produce espuma o bien esta es inducida por productos químicos. Casi todos los compuestos orgánicos tienen actividad superficial; estos tienden a concentrarse en las interfaces gas-líquido y se eliminan junto con la espuma.

Congelación

La Congelación es una operación de separación similar a la destilación. El agua es rociada en una cámara que funciona al vacío. Parte del agua residual se evapora y el efecto refrigerante produce cristales de hielo sin contaminantes en el líquido restante. Seguidamente se extrae el hielo y se funde por el calor de la condensación de los vapores de la fase de evaporación. En este procedimiento se ha utilizado butano y otros refrigerantes.

Intercambio Iónico

El Intercambio Iónico es un proceso en el que los iones que se mantienen unidos a grupos funcionales en la superficie del sólido por fuerzas electrostáticas se intercambian por especies diferentes en disolución. Ya que la desmineralización se puede llevar a cabo mediante intercambio iónico, es posible utilizar procesos de tratamiento de corriente continua, en los que parte del agua residual del efluente se desmineraliza y se combina después con parte del efluente que ha sido desviado del tratamiento para producir un efluente de calidad específica.

Tratamiento Electroquímico

En este proceso se mezcla el agua residual con agua de mar y se hace pasar por una célula simple que contiene electrodos de carbón. Debido a las densidades relativas del agua de mar y de la mezcla de agua de mar y residual, la primera se acumula en la superficie del ánodo en la parte inferior de la célula; la última lo hace en la superficie del cátodo cerca de la parte superior de la célula. La corriente eleva el pH en el cátodo, precipitando con ello fósforo y amoníaco. Las burbujas de hidrógeno generadas en el cátodo elevan el fango a la superficie, donde es arrastrado y eliminado por métodos convencionales. El cloro desarrollado en el ánodo de la celda desinfecta el efluente y la mezcla sobrante de agua residual-de mar es seguidamente vertida al mar.

Tratamiento Terciario Específico

Si el agua que ha de recibir el vertido requiere un grado de tratamiento mayor que el que puede aportar el proceso secundario, o si el efluente va a reutilizarse, es necesario un tratamiento avanzado de las aguas residuales. A menudo se usa el término tratamiento terciario como sinónimo de tratamiento avanzado, pero no son exactamente lo mismo. El tratamiento terciario, o de tercera fase, suele emplearse para eliminar el fósforo, mientras que el tratamiento avanzado podría incluir pasos adicionales para mejorar la calidad del efluente eliminando los contaminantes recalcitrantes. Hay procesos que permiten eliminar más de un 99% de los sólidos en suspensión y reducir la DBO5 en similar medida. Los sólidos disueltos se reducen por medio de procesos como la ósmosis inversa y la electrodiálisis. La eliminación del amoníaco, la desnitrificación y la precipitación de los fosfatos pueden reducir el contenido en nutrientes. Si se pretende la reutilización del agua residual, la desinfección por tratamiento con ozono es considerada el método más fiable, excepción hecha de la cloración extrema. Es probable que en el futuro se generalice el uso de estos y otros métodos de tratamiento de los residuos a la vista de los esfuerzos que se están haciendo para conservar el agua mediante su reutilización.

Vertido del Líquido Tratado

El vertido final del agua tratada se realiza de varias formas. La más habitual es el vertido directo a un río o lago receptor. En aquellas partes del mundo que se enfrentan a una creciente escasez de agua, tanto de uso doméstico como industrial, las autoridades empiezan a recurrir a la reutilización de las aguas tratadas para rellenar los acuíferos, regar cultivos no comestibles, procesos industriales, recreo y otros usos. En un proyecto de este tipo, en la Potable Reuse Demonstration Plant de Denver, Colorado, el proceso de tratamiento comprende los tratamientos convencionales primario y secundario, seguidos de una limpieza por cal para eliminar los compuestos orgánicos en suspensión. Durante este proceso, se crea un medio alcalino (pH elevado) para potenciar el proceso. En el paso siguiente se emplea la recarbonatación para volver a un pH neutro. A continuación se filtra el agua a través de múltiples capas de arena y carbón vegetal, y el amoníaco es eliminado por ionización. Los pesticidas y demás compuestos orgánicos aún disueltos son adsorbidos por un filtro granular de carbón activado. Los virus y bacterias se eliminan por ozonización. En esta fase el agua debería estar libre de todo contaminante, pero para mayor seguridad, se emplean la segunda fase de adsorción sobre carbón y la ósmosis inversa y, finalmente, se añade dióxido de cloro para obtener un agua de calidad máxima.

Fosa Séptica

Un proceso de tratamiento de las aguas residuales que suele usarse para los residuos domésticos es la fosa séptica: una fosa de cemento, bloques de ladrillo o metal en la que sedimentan los sólidos y asciende la materia flotante. El líquido parcialmente clarificado fluye por una salida sumergida hasta zanjas subterráneas llenas de rocas a través de las cuales puede fluir y filtrarse en la tierra, donde se oxida aeróbicamente. La materia flotante y los sólidos depositados pueden conservarse entre seis meses y varios años, durante los cuales se descomponen anaeróbicamente.

Métodos de Desinfección en Tratamiento Terciario

La reutilización de agua residual mediante tratamientos terciarios es una buena alternativa para el ahorro de agua y reducir considerablemente el consumo. Para ello es fundamental adecuar el agua de salida de la depuradora a unos parámetros adecuados para su uso con otros fines como el riego del jardín, debido a que, fundamentalmente, el agua depurada presentará cierto contenido bacteriológico y, por tanto, necesita ser desinfectada. Hidritec dispone fundamentalmente de tres métodos de desinfección de agua que pueden ser complementados con una filtración apropiada estudiando cada caso concreto por separado en función del tipo de agua residual y las necesidades concretas.

Tratamiento Terciario mediante Cloración

Se trata de mantener el agua depurada en un depósito final de distribución con un contenido adecuado de cloro libre para evitar la proliferación de microorganismos con el objetivo de hacerla apta para su reutilización. Existen varias formas de cloración del depósito, que pueden incluir un sistema automático de medición y control de la dosificación de cloro libre en el depósito mediante sonda de cloro libre o de redox, o dosificación de cloro proporcional al caudal de agua depurada mediante la instalación de un contador-emisor de impulsos. La cloración del agua residual es el sistema más sencillo y económico para un tratamiento terciario de reutilización de agua para riego de jardines y plantas. Como desventaja cabe destacar el hecho de que requiere el empleo y manipulación de un producto químico como el hipoclorito de sodio. Además, ciertas plantas ornamentales, hortalizas o cultivos frutícolas pueden ser susceptibles a ser dañadas a partir de ciertos niveles de cloro libre. También cabe destacar que este sistema supone siempre el empleo de un depósito exclusivo para realizar la cloración, ya que siempre es necesario un tiempo de contacto adecuado del agua clorada para asegurar la desinfección.

Tratamiento Terciario mediante Radiación Ultravioleta

En este caso la desinfección se realiza mediante un equipo UV que proporciona una desinfección inmediata y más efectiva que la cloración. Otra ventaja añadida es que no requiere de depósitos de contacto, ya que la desinfección se realiza de forma instantánea mediante el paso de agua por el equipo de tratamiento ultravioleta, lo que favorece este tipo de tratamiento terciario cuando no se disponga de espacio suficiente para un tratamiento con cloro o con ozono. Para asegurar el buen funcionamiento del equipo ultravioleta es necesario un correcto sistema de filtración para eliminar turbidez y asegurar una transmitancia adecuada de la radiación ultravioleta en el flujo de agua a tratar.

Tratamiento Terciario mediante Ozonización

El ozono es un poderoso oxidante y desinfectante con una velocidad de esterilización superior a la de un tratamiento convencional de cloro, aumentando su eficacia. Esto permite tratamientos con ozono con tanques de contacto muy reducidos, ya que únicamente son necesarios unos tres minutos de tiempo de contacto para asegurar la desinfección. Además, para el tratamiento de agua residual para su reutilización en riego y agricultura, el ozono aporta una mayor oxigenación a la raíz de la planta a la vez que le transmite su carácter desinfectante. Los resultados son cultivos con un crecimiento más rápido, con mayor productividad y evitando plagas y enfermedades.

Tratamiento Terciario de Aguas Negras

Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento terciario de aguas contaminadas están:

• la microfiltración,
• la coagulación y precipitación,
• la adsorción por carbón activado,
• el intercambio iónico,
• la ósmosis inversa,
• la electrodiálisis,
• la remoción de nutrientes,
• la cloración y
• la ozonización.

A cualquier tratamiento de las aguas negras que se realiza después de la etapa secundaria se le llama tratamiento terciario y, en este, se busca eliminar los contaminantes orgánicos, los nutrientes como los iones fosfato y nitrato o cualquier exceso de sales minerales. En el tratamiento terciario de aguas negras de desecho se pretende que sea lo más pura posible antes de ser arrojadas al medio ambiente. Dentro del tratamiento de las aguas de desecho para eliminar los nutrientes están la precipitación, la sedimentación y la filtración. Actualmente se aplican muy pocos tratamientos terciarios a las aguas negras domésticas.

Proceso de Cloración

El método de cloración es el más utilizado, pero como el cloro reacciona con la materia orgánica en las aguas de desecho y en el agua superficial, produce pequeñas cantidades de hidrocarburos cancerígenos. Otros desinfectantes como el ozono, el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y la luz ultravioleta empiezan a ser empleados en algunos lugares, pero son más costosos que la cloración.

El proceso más utilizado para la desinfección del agua es la cloración porque se puede aplicar a grandes cantidades de agua y es relativamente barato. El cloro proporciona al agua sabor desagradable en concentraciones mayores de 0.2 ppm, aunque elimina otros sabores y olores desagradables que le proporcionan diferentes materiales que se encuentran en el agua.

Aunque el cloro elemental o en forma atómica se puede usar para la desinfección del agua, son más utilizados algunos de los compuestos de cloro como el ácido hipocloroso, el hipoclorito de sodio, el hipoclorito de calcio y el peróxido de cloro.

Algunas de las reacciones químicas que ocurren entre compuestos de cloro y el agua se representan en las ecuaciones químicas siguientes:

• Hidrólisis del cloro: Cl₂ + 2 H₂O → HCl + H₃O⁺ + Cl⁻
• Disociación del ácido hipocloroso: HClO + H₂O → H₃O⁺ + ClO⁻
• Acidificación del hipoclorito de sodio: NaClO + H⁺ → Na⁺ + HClO

El cloro puede formar con el amoníaco las cloraminas que también tienen acción desinfectante. El peróxido de cloro también es capaz de oxidar a los fenoles.

El cloro tiene una acción tóxica sobre los microorganismos y actúa como oxidante sobre la materia orgánica no degradada y sobre algunos minerales. El cloro no esteriliza porque, aunque destruye microorganismos patógenos, no lo hace con los saprofitos.

Tratamiento Biológico

El tratamiento biológico puede resumirse en el siguiente diagrama:

[Diagrama no incluido en el texto original]