OPERACIONES UNITARIAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Tratamiento de agua

En ingeniera ambiental el trmino tratamiento de aguas es el conjunto de operaciones unitarias de tipo fsico, qumico o biolgico cuya finalidad es la eliminacin o reduccin de la contaminacin o las caractersticas 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 caractersticas adecuadas al uso que se les vaya a dar, por lo que la combinacin y naturaleza exacta de los procesos vara en funcin tanto de las propiedades de las aguas de partida como de su destino final.

Operaciones unitarias para el tratamiento de aguas residualesSe conoce como operaciones unitarias aquellos mtodos de tratamiento en los que predominan los fenmenos fsicos, mientras que aquellos mtodos en los que la eliminacin de los contaminantes se realiza en base de procesos qumicos o biolgicos se conocen como proceso unitarios. En la actualidad, las operaciones y procesos unitarios se agrupan entre s para construir los llamados tratamiento primario, secundario y terciarios.

El tratamiento primario contempla el uso de operaciones fsicas tales como las rejillas, tanques de sedimentacin y flotacin para la eliminacin de los slidos sedimentables y flotantes presentes en el agua residual. En el tratamiento secundario se realizan procesos biolgicos y qumicos los que se emplean para eliminar la mayor parte de la materia orgnica y elementos patgenos. En el tratamiento terciario se emplean combinaciones adicionales de los procesos y operaciones unitarias con el fin de eliminar otros componentes, tales como nitrgeno y fsforo, cuya reduccin con el tratamiento secundario no es significativa.1) RECOLECCIN DE AGUAS RESIDUALES

Los sistemas de alcantarillado conducen residuos domsticos, industriales y de reas de servicio, as como aportes no controlados de infiltracin y agua lluvia. El escurrimiento en estos ductos debe fluir sin presin para que pueda recibir los aportes provenientes de casas, edificios e industrias. Los ductos del sistema de recoleccin deben disearse para conducir el caudal mximo que pueda producirse en el perodo.Fosa de recoleccin de aguas residuales industriales: Se llama fosa de recoleccin de aguas residuales industriales al recipiente ubicado entre los edificios de produccin, identificacin y almacn que tiene como objetivo recolectar las aguas residuales industriales que provienen de la Planta.

2) TRATAMIENTO: FSICO, BIOLGICO Y QUMICO

Tratamiento fsico-qumicoEste tratamiento est orientado principalmente a la remocin de sustancias inorgnicas y por ello es utilizado en las aguas residuales industriales. Las caractersticas de los procesos son similares a la potabilizacion de agua. En este caso los slidos extrados desde el agua residual, que es una suspensin concentrada, al no ser componentes naturales del medio ambiente requieren de tratamiento o disposicin especial que depende de su composicin.

En algunos casos cuando se requiere remover fsforo y nitrgeno del efluente de una planta de tratamiento biolgico de aguas residuales se puede utilizar procesos fsico-qumicos. EL FSFORO se remueve agregando cal para elevar el pH a un valor del orden de 11 (formacin de un precipitado), EL NITRGENO se elimina por sedimentacin mediante aireacin y posteriormente se corrige el pH por recarbonatacin (incorporacin de CO2). Si a continuacin el agua es filtrada para remover los slidos suspendidos no retenidos previamente y refiltrada en un medio de carbn adsorbente para remover compuestos orgnicos disueltos que producen olor y sabor, se obtiene un agua de muy buena calidad.

Los procesos descritos previamente corresponden a lo que comnmente se denomina tratamiento terciario de aguas residuales. Hay muchos otros procesos qumicos con fines especficos, por ejemplo: oxidacin, reduccin, neutralizacin, precipitacin, de uso comn para el tratamiento de aguas residuales de origen industrial.

Tratamiento BiolgicoEl tratamiento biolgico es la prctica ms comn para las aguas residuales domsticas o asimilables a stas (que contienen principalmente materia orgnica).El tratamiento biolgico tiene como principio bsico la utilizacin de microorganismos aerbicos naturales que reducen la materia orgnica (coloidal y disuelta) sintetizndola en nueva materia celular (desarrollo de microorganismos) y oxidndola a compuestos ms simples (utilizada como alimento de los microorganismos denominado sustrato).

El tratamiento biolgico se puede realizar de diversas formas y puede agruparse en:a) Tratamientos Convencionales Sistemas de crecimiento suspendido. Ej. lodos activados Sistemas de pelcula fija: Ej. filtros de riego filtros percoladores. Tratamiento de lodos. Estabilizacin y reduccin de volumen. Ej.lagunas de estabilizacin.b) Tratamientos No ConvencionalesEj. Lagunas de estabilizacin

3) TAMIZADO GRUESO Y FINOTamizado gruesoEl tamizado es por lo general la primera operacin 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 slidos gruesos presentes en el agua residual cruda; estos equipos constan generalmente de barras o varillas paralelas, o alambres de tamao uniforme. El tamiz compuesto por barras o varillas paralelas se lo conoce como REJILLA o tambin tamiz de barras. El trmino tamiz se emplea tambin para describir equipos de tamizado conformados por platos perforados, mallas en seccin de cua y telas metlicas.

Tamizado finoLas aplicaciones de los tamices finos van desde la remocin de slidos gruesos y finos, en aguas residuales hasta la remocin de slidos suspendidos en efluentes de procesos biolgicos 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 tambin mayor eficiencia de remocin) se ha presentado un aumento en la utilizacin de tamices finos para remover arenas, e incluso se han utilizado como unidades que reemplazan a los tanques de sedimentacin primaria. Aunque existen gran variedad de tamices finos, los tres ms usados son: tamiz de malla inclinada con forma de cua, tamiz de tambor rotatorio y tamiz dedisco rotatorio.

4) SEDIMENTACIN. PARTCULAS DISCRETAS, FLOCULETAS, OTROS TIPOSSedimentacinSe entiende por sedimentacin a aquellos fenmenos mediante los cuales los slidos en suspensin cuyo peso especfico es mayor que el del fluido que los contiene son separados del mismo, debido al efecto de la gravedad.

Los slidos 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 coagulacin y floculacin. Sea cual fuere el origen de las partculas, si son ms densas que el agua es mayor su probabilidad de sedimentacin, dando como resultado un fluido clarificado, y en el fondo de los tanques una suspensin ms concentrada que se considera ha sido separada del mismo. En funcin de la concentracin y de la tendencia de las partculas, se puede producir cuatro tipos de sedimentacin.

TIPOS DE SEDIMENTACIN:

SEDIMENTACIN DE PARTICULAS DISCRETAS (TIPO 1): Se refiere a una sedimentacin de partculas en una suspension con baja concentracin de slidos. Las particulas sedimentan como entidades individuales y no existe interaccin sustancial con las partculas vecinas. En este caso, las propiedades fsicas de las partculas (tamao, forma, peso especfico) no cambian durante el prceso. La deposicin de arenas en los desarenadores es un ejemplo tipico de sedimentacin discreta.

SEDIMENTACIN DE PARTICULAS FLOCULENTAS (TIPO 2): Se refiere a una suspensin bastante diluida de partculas que se agregan, ofloculan, durante el proceso de sedimentacin. Al unirse, las partculas 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 floculacin y la precipitacin qumica.

SEDIMENTACIN ZONAL O RETARDADA (TIPO 3): En los sistemas que contienen elevadas concentraciones de slidos, adems de la sedimentacin discreta y de la sedimentacin floculenta, tambin suelen darse otras formas de sedimentacin, como la sedimentacin zonal y la sedimentacin por compresin. La sedimentacin por zonas se presenta en clarificadores con lodos coagulados qumicamente, o activos con concentraciones que exceden los 500 mg/l.

SEDIMENTACIN POR COMPRESIN (TIPO 4): Se refieres a la sedimentacin en la que las partculas estn concentradas de tal manera que se forma una estructura, y la sedimentacin slo puede tener lugar como consecuencia de la compresin de esta estructura. La compresin se produce por el peso de las partculas, que se van aadiendo constantemente a la estructura por sedimentacin desde el lquido sobrenadante.

NOTA: la eficiencia de la remocin de los slidos en el tanque de sedimentacin determina las cargas subsecuentes en los filtros, y por lo tanto, tiene una influencia notable en la capacidad, duracin del ciclo del filtro y calidad del agua filtrada.

5) PROCESOS AERBICOS: LODOS ACTIVADOS, LECHOS BIOPERCOLADORES, OTROS

Procesos AerbicosEn el tratamiento aerbico de las aguas residuales seincrementa fuertemente el aporte de oxigeno por riego de superficies slidas, por agitacin o agitacin y aireacin sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad degradativa crecen proporcionalmente a la tasa de aireacin. Las sustancias orgnicas e inorgnicas acompaantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flculos que, con una intensidad de agitacin decreciente, pueden alcanzar un dimetro de unos mm dividindose o hundindose despus. La formacin de flculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y tambin por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 50% de las sustancias orgnicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 60% de las mismas se degrada.

Lodos activadosEl proceso de los lodos activados para el tratamiento de aguas negras est basado en proporcionar un contacto ntimo entre las aguas negras y lodos biolgicamente activos. Los lodos se desarrollan inicialmente por una aireacin prolongada bajo condiciones que favorecen el crecimiento de organismos que tienen la habilidad especial de oxidar materia orgnica. Cuando los lodos que contienen estos organismos entran en contacto con las aguas negras, los materiales orgnicos se oxidan, y las partculas en suspensin y los coloides tienden a coagularse y formar un precipitado que se sedimenta con bastante rapidez. Es necesario un control deoperacin muy elevado para asegurar que se tenga una fuente suficiente de oxgeno, que exista un contacto ntimo y un mezclado continuo de las aguas negras y de los lodos, y que la relacin del volumen de los lodos activados agregados al volumen de aguas negras que estn bajo tratamiento se mantenga prcticamente constante.

Lechos biopercoladoresEs un proceso de pelcula biolgica, que a diferencia de los procesos de tratamiento biolgico de las lagunas de estabilizacin, lagunas aireadas y lodos activados, en los que la biomasa se encuentra suspendida (microorganismos libres en el lquido), los microorganismos estn adheridos a un medio soporte inerte. De esta manera, se evita que se pierda la biomasa debido a la percolacin del lquido, independizando el tiempo de residencia celular qc del tiempo de residencia hidrulico qh (qc >> qh). Los tiempos de tratamiento son de horas a das.

Los lechos percoladores presentan superficies un poco mayor que los lodos activados, con una estructura habitualmente circular. Consta bsicamente de un medio soporte de material mineral o plstico, sobre el cual es distribuido el lquido residual, por medio de un brazo dispersor, con un mecanismo tendiente a uniformizar el vertido del lquido sobre el lecho.En estos el lquido percola y entra en contacto, de esta manera, con la pelcula biolgica. El fondo del lecho percolador est constituido por un sistema de drenaje y ventilacin del lecho. El piso es inclinado para que el efluente pueda circular hacia un canal central de drenaje.

A travs de unfalso fondo, tendiente a soportar la carga del medio soporte, se produce la renovacin del aire en el lecho percolador, por medio de aberturas. La aireacin en el lecho percolador es natural. El lecho percolador no funciona inundado. La acumulacin de lquido es perjudicial, por lo que debe evitarse que se tape para permitir que el lquido escurra libremente.

El sistema de tratamiento basado en el lecho percolador, cuenta con un sedimentador secundario tendiente a clarificar el lquido tratado, debido a la presencia del exceso de biomasa que se desprende por escurrimiento del lquido en el lecho percolador. No cuenta con sistema de recirculacin de lodos. Sin embargo, parte del lquido tratado se recircula, con dos objetivos: Diluir el lquido de entrada, y lograr, de esta manera, que la demanda de oxgeno, debido a la materia orgnica, sea suficientemente baja. Si no hubiese recirculacin, la demanda de oxgeno puede superar el suministra de oxgeno. Mantener la carga hidrulica suficiente sobre el brazo distribuidor para que este est en movimiento permanente. Por otro lado, es esencial, mantener la pelcula biolgica hmeda, dado que al secarse sta muere.

Lagunas aireadasSon embalses de aguas servidas que ocupan una gran superficie de terreno. El agua servida as dispuesta se oxigena mediante aireadores superficiales o difusores sumergidos para generar oxidacin bacteriana. Estos dispositivos crean una turbulencia que mantiene la materia en suspensin. El tiempo de residencia normal de este proceso es de 3 a6 das, tiempo en que las bacterias experimentan un crecimiento acelerado, dependiendo de las condiciones climticas y suponiendo una aireacin suficiente. La separacin de slidos de este tratamiento se logra por decantacin 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 recirculacin de lodos.

Biofiltro dinmico aerbicoEs un filtro que contiene lombrices, a travs del cual se hace pasar el agua a tratar (se explica en detalle ms adelante).

6) PROCESO ANAERBICOS: (RAFA) REACTOR ANAERBICOS DE FLUJO ASCENDENTES

Proceso anaerbicosConsiste en una serie de procesos microbiolgicos que ocurren dentro de un recipiente hermtico, que realizan la digestin de la materia orgnica con produccin de metano. Pueden intervenir diferentes tipos de microorganismos, pero es desarrollado principalmente por bacterias. Presenta ventajas frente a la digestin aerobia: generalmente requiere de instalaciones menos costosas, y no hay necesidad de suministrar oxgeno, por lo que el proceso es ms barato y el requerimiento energtico es menor. Por otra parte, se produce una menor cantidad de lodos (el 20% en comparacin con un sistema de lodos activos). Ejemplos de tratamientos anaerbicos son los tanques spticos y los reactores anaerobios que tratan el agua en un sistema sin luz, oxgeno ni movimiento.

Los Reactores Anaerbicos de Flujo Ascendente(RAFA)

En trminos generales, los RAFA consisten en tanques cuyo caudal afluente ingresa por su seccin inferior, recolectndose el agua tratada en su seccin superior. El perodo de retencin hidrulica (normalmente de unas 18 horas o mayor dependiendo de la temperatura de operacin, tipo de desecho y otras variables), permite que el material contaminante sea estabilizado parcialmente por bacterias anaerbicas, con la consecuente produccin de biogs. Es por ello que se denominan "reactores", ya que en ellos se lleva a cabo la reaccin bioqumica o biodegradacin.

7) SISTEMA DE TRATAMIENTO POR LAGUNAS

El sistema de tratamiento por lagunas ha tenido diversas adaptaciones tecnolgicas, segn el grado de tratamiento deseado y el momento histrico de su implementacin. Desde los primeros registros histricos, hace unos 3000 aos, existen hoy en da un par de decenas de miles de lagunas; las mayormenteconocidas y caracterizadas son las 7000 (o ms) lagunas en operacin en los Estados Unidos, si bien se han implementado muchas en Israel y en Amrica Latina de las cuales no se conocen datos precisos. La implementacin de lagunas en Chile, alcanza varias decenas (tal vez un centenar) pero la gran mayora corresponde a lagunas estticas, sin aireacin y enfrentan graves deficiencias de diseo, generan malos olores, tratamientos muy por debajo de las especificaciones originales y una grave ausencia de protocolos de mantencin.

El trmino laguna indica un sistema de retencin de aguas, de construccin humana, con cualquier propsito; el propsito suele estar indicado por el trmino a continuacin de laguna. Se encuentran lagunas para regado, para alimentacin de centrales hidroelctricas, de tratamiento de aguas servidas y muchas otras.Las Lagunas de Tratamiento de Aguas Servidas, algunas veces llamadas de estabilizacin, tienen como propsito explcito conseguir que las aguas acumuladas en ellas lleguen a cumplir un conjunto de parmetros cuantitativos, fijados por ley, que permitan su descarga al ambiente receptor sin ocasionar problemas ambientales ulteriores. Los parmetros suelen estar relacionados con el potencial de riesgo a la salud pblica, la cantidad de orgnicos disueltos, los slidos suspendidos, las materias grasas, el contenido de nitrgeno orgnico, el contenido de fosfatos, la ausencia de olor y la ausencia de color. Cada nacin del mundo regula, soberanamente, los parmetros aplicables, usualmente por sistema receptory/o por regin de aplicacin de la regulacin (por ejemplo en la regulacin por ros y en la regulacin por cuencas).

8) CLASES DE LAGUNASLas posibles variaciones en lagunas de tratamiento de aguas servidas se pueden clasificar de distintas maneras, pero una de las ms habituales las clasifica segn la participacin del oxgeno disuelto en el sistema:Lagunas Aerobias: una laguna en que se espera (por diseo) que exista oxgeno disuelto en todo el sistema se clasifica como laguna aerobia;Lagunas Anaerobias: si el oxgeno est ausente en toda la laguna se clasifica como laguna anaerobia;Lagunas Facultativas: si el oxgeno disuelto participa slo en algunas partes de la laguna (por ejemplo en el sector superior) pero existen regiones sin oxgeno (por ejemplo en el fondo) se le clasifica como facultativa.Los trminos; aerobia, anaerobia y facultativa se han tomado de la clasificacin microbiolgica de los microorganismos participantes. La clasificacin de microorganismos se basa en diversos conceptos, uno de ellos el mecanismo respiratorio; las bacterias que respiran oxgeno se llaman aerobias; las que respiran mediante mecanismos de xido reduccin sin participacin de oxgeno gaseoso son las anaerobias mientras que aquellas que se adaptan a uno u otro mecanismo respiratorio son las bacterias facultativas.Las lagunas pueden tambin clasificarse segn el mecanismo que aporta oxgeno, si es que el oxgeno es necesario. Se encuentran as:

Las lagunas aireadas (se aporta aire mediante equipos mecnicos oneumticos para la transferencia de oxgeno); las de agitacin superficial (la agitacin promueve el contacto del agua con la atmsfera y transfiere as el oxgeno del aire) y las no aireadas o estticas (que usualmente se basan en el aporte diurno de oxgeno desde fotosintetizadores, como algas por ejemplo).

Similarmente, se pueden clasificar segn el grado de mezcla forzada en el sistema; en tal caso se encuentran lagunas de mezcla completa (cualquier volumen de lquido, en cualquier parte de la laguna, tiene la misma composicin que cualquier otro) o de mezcla parcial en que se admite una cierta estratificacin de slidos pero se busca asegurar que la potencia consumida consiga aportar estrictamente en oxgeno necesario para la reaccin aerobia en todo el volumen de reaccin adems, existen las lagunas estticas, suelen llamarse de estabilizacin, en que no se promueve el mezclado).

9) LAGUNAS AERBICAS

Se basan en el aporte de oxgeno 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 oxgeno, sobre todo teniendo presente que la turbiedad impide el paso de la luz solar; se suelen encontrar profundidades de 30 a 45 centmetros y tiempos de retencin hidrulicos tericos (es decir, volumen de la laguna dividido por caudal medio tratado) de 10 a 40 das de modo que el terreno requerido para esta tecnologa 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 hectrea y por da.

10) LAGUNAS FACULTATIVAS O DE ESTABILIZACIN

Las lagunas facultativas han sido la alternativa ms comn para tratar aguas servidas de alcantarillado urbano y, si el diseo es correcto, operan adecuadamente para el abatimiento de orgnicos, 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 hectrea y por da; el tiempo de residenciahidrulico terico cae en el rango de 25 a 180 das (para abatir coliformes fecales se disea para, al menos, 180 das) y la profundidad de operacin 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 estabilizacin es una estructura simple para embalsar aguas residuales con el objeto de mejorar sus caractersticas sanitarias. Las lagunas de estabilizacin se construyen de poca profundidad (2 a 4 m) y con perodos de retencin relativamente grandes (por, lo general de varios das).

Cuando las aguas residuales son descargadas en lagunas de estabilizacin se realiza en las mismas, en forma espontnea, un proceso conocido como autodepuracin o estabilizacin natural, en el que ocurre fenmenos de tipo fsico, qumico, bioqumico y biolgico.Este proceso se lleva a cabo en casi todas las aguas estancadas con alto contenido de materia orgnica putrescible o biodegradable.Los parmetros ms utilizados para evaluar el comportamiento de las lagunas de estabilizacin de aguas residuales y la calidad de sus efluentes son la demanda bioqumica de oxgeno (DBO), que caracteriza la carga orgnica; y el nmero ms probable de coliformes fecales (NMP CF/100ml), que caracteriza la contaminacin microbiolgica.