1. Introducción a la Contaminación del Agua y sus Características

1.1 Definición del Problema: El agua es un recurso vital y su ciclo se ve influenciado por las actividades humanas. La contaminación se propaga a través del agua, y está condicionada por la atmósfera y el suelo.

1.2 Aguas Naturales: Contienen sustancias disueltas, en suspensión o coloidales debido a su capacidad disolvente y erosiva. Incluyen gases (CO₂, N₂, O₂), productos biológicos, iones de materiales, especies inorgánicas (arena, arcilla) y materia orgánica (aminoácidos, ácidos grasos).

1.3 Aguas Contaminadas: Son aquellas alteradas por actividades humanas, lo que afecta su aptitud para usos específicos.

• Características Físicas: La materia total (en suspensión y filtrable) afecta el color, la absorción de energía solar, la formación de sedimentos, la salinidad, la solubilidad del O₂ y la toxicidad. El color, el olor y la temperatura son indicadores de contaminación (por ejemplo, las aguas urbanas pueden ser grises o negras, mientras que las industriales pueden presentar diversos colores).
• Contaminantes Químicos:
  • Orgánicos: Pueden ser naturales (biodegradables) o industriales (detergentes, pesticidas). Reducen el O₂, generan toxicidad o bloquean la luz. Ejemplos: detergentes, hidrocarburos de baja solubilidad en agua. Tienen menor densidad que el agua y carácter biodegradable. Reducen el oxígeno disuelto, generan toxicidad o forman películas superficiales que bloquean la luz y la difusión de oxígeno en el agua.
  • Parámetros Clave:
    • DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno): Oxígeno consumido por microorganismos para degradar la materia orgánica. La DBO₅ mide aproximadamente el 70% de la materia orgánica en 5 días, mientras que la DBO₂₀ mide el 96% en 20 días. Aguas puras tienen una DBO < 3 mg/L, mientras que las urbanas oscilan entre 100-400 mg/L.
    • DQO (Demanda Química de Oxígeno): Oxígeno consumido químicamente (biodegradable y no biodegradable). La DQO es mayor que la DBO. Los resultados se obtienen en aproximadamente 2 horas. La relación DBO/DQO indica la biodegradabilidad y el origen del agua (urbano o industrial).
    • Relación DBO/DQO:
      • ~1: Agua muy biodegradable.
      • ~0.1: Agua poco biodegradable.
      • <0.2: Origen industrial.
      • 0.4-0.8: Origen urbano.
  • Inorgánicos: Turbidez (materia insoluble), conductividad (iones), dureza (Ca²⁺, Mg²⁺), pH (ácido o básico). Los nutrientes (N, P) son esenciales, pero contaminantes en exceso. Los metales pesados (Fe³⁺, Al³⁺, Hg³⁺) son comunes en aguas contaminadas.
• Biológicos: Incluyen bacterias, algas y virus.
  • Bacterias: Aerobias, anaerobias y facultativas. Las bacterias coliformes son indicadoras de contaminación fecal.
  • Algas: Contribuyen a la eutrofización.
  • Ensayos Biológicos: Evalúan la contaminación con organismos acuáticos (por ejemplo, Daphnia Magna).

2. Tratamiento de Aguas Residuales

2.1 Naturaleza de las Aguas Contaminadas: Conocer la composición de las aguas es fundamental para su gestión. Según su origen, se distinguen:

• Aguas Residuales Urbanas: Incluyen escorrentía superficial, drenajes y aguas domiciliarias. Tienen un caudal y contaminación regulares, composición homogénea y se tratan sistemáticamente en plantas depuradoras.
• Aguas Residuales Industriales: Su composición depende de la industria y el método de producción, siendo generalmente más contaminantes.

Características de las Aguas Residuales Industriales: Presencia de sustancias orgánicas no biodegradables, compuestos químicos tóxicos (metales pesados, pesticidas, cianuros), pH variable, temperatura elevada y composición heterogénea. Generalmente no contienen bacterias ni virus.

2.3.1 Tratamiento Previo: Elimina elementos gruesos, grasas, arenas y partículas que dificultan el tratamiento completo y afectan el funcionamiento de los equipos. Reduce la DBO entre un 30-40%.

• Aliviaderos: Evacúan excedentes de caudal hacia cursos de agua cercanos o depósitos de retención, donde se reutilizan posteriormente en la planta depuradora. El agua de lluvia inicial (10-15 minutos) está contaminada, por lo que requiere retención y posterior tratamiento.
• Desbaste: Utiliza rejas y tamices para separar cuerpos voluminosos flotantes y en suspensión.
  • Objetivos: Evitar obstrucciones, reducir el consumo de oxígeno, mejorar la eficacia de los tratamientos posteriores y eliminar elementos que dificulten tratamientos avanzados.
  • Tipos de Rejas: Según su inclinación (horizontales, verticales, inclinadas, curvas) y separación (fina, media, gruesa). La limpieza puede ser manual o automática.
  • Tamices: Son una alternativa a las rejas. Incluyen tipos estáticos, curvos, giratorios o móviles.
• Desarenado: Elimina arenas y sólidos no putrescibles en depósitos que reducen la velocidad del agua.
  • Características: Las partículas no son putrescibles y sedimentan más rápido que los sólidos orgánicos. Se controla la velocidad para precipitar la arena sin afectar la materia orgánica suspendida.

2.3.2 Tratamiento Primario: Consiste en procesos físicos para separar sólidos más finos no eliminados en el pretratamiento.

• Control del pH: Se ajusta el pH en etapas previas a procesos (precipitación, coagulación-floculación) y antes del vertido.
  • Neutralización de Aguas Ácidas: Se añaden bases (CaO, MgO, NaOH).
  • Neutralización de Aguas Básicas: Se añaden ácidos (minerales o CO₂).
  • Desafíos: El pH no varía linealmente con la concentración, y los cambios rápidos en el pH y las oscilaciones en los caudales dificultan el control.
• Sedimentación: Separa partículas más densas que el agua por gravedad.
  • Tipos:
    • Discretas: Partículas independientes.
    • Floculenta: Las partículas se agrupan en flóculos.
    • Zonal: Una alta concentración de sólidos genera sedimentación por capas.
    • Compresión: Sedimentación proporcional a la altura de las capas de fango.
  • Equipos: Sedimentadores sin rascado (cilindro-cónico, lamelar) y con rascado (rectangular, succión de fangos).
• Coagulación-Floculación: Elimina la turbidez y la materia coloidal estabilizada por cargas electrostáticas.
  • Coagulación: Neutraliza las cargas con coagulantes (sales de Al³⁺, Fe³⁺).
  • Floculación: Forma flóculos mediante la adición de floculantes (polielectrolitos no iónicos, catiónicos o aniónicos).
• Flotación: Separa partículas mediante burbujas de gas (aire). Las burbujas se adhieren a las partículas, que suben a la superficie para ser recogidas.
  • Tipos:
    • Por Aire Disuelto: Aire inyectado bajo presión y liberación posterior.
    • Por Aireación: Introducción directa de burbujas.
    • Por Vacío: Formación de burbujas al reducir la presión.

2.3.3 Tratamiento Secundario: Elimina o estabiliza la materia orgánica biodegradable (M.O.b.), reduciendo la demanda biológica de oxígeno (DBO). Se basa en la acción de microorganismos, estudiada mediante la cinética de Monod, que analiza el crecimiento biológico según las necesidades de energía, carbono y nutrientes (N, P).

• Procesos Aerobios en Suspensión:
  • Lagunas Aireadas: Extensiones de 5.000 m², profundidad de 1-5 m y tiempos de residencia hidráulico (Θ) de días a semanas. Dos tipos: aerobias y facultativas. Zonas aerobia y anaerobia coexistentes.
  • Estanques de Estabilización: Áreas de 60.000 m², profundidad de 1-2 m y menos de 40 días. Tipos: aerobios, facultativos, anaerobios.
    • Ventajas: Proceso natural, bajos costos, lodos estabilizados.
    • Desventajas: Requieren espacio, generan olores y dependen de las condiciones meteorológicas.
  • Selección de Reactores Biológicos: Basada en la cinética, la oxigenación, las características del agua residual (a.r.) y otros factores (temperatura, pH, costos).
    • A.r. Urbana: Biodegradable, pero los organismos filamentosos pueden causar problemas.
    • A.r. Industrial: Contiene compuestos tóxicos para los microorganismos, mitigados por dilución.
  • Variantes de Fangos Activados:
    • Alimentación Escalonada: Distribuye la demanda de oxígeno.
    • Contacto y Estabilización: Aumenta la eficacia separando la adsorción y la oxidación.
    • Proceso Kraus: Trata aguas con bajo N mediante tanques intercalados.
    • Aireación Prolongada (reactor «loop»): Alterna regiones aerobias y anaerobias, reduciendo la DBO y el nitrógeno.
    • Sistemas de Oxígeno Puro: Sustituyen el aire por oxígeno puro.
• Procesos Aerobios de Cultivo Fijo:
  • Filtros Percoladores: El a.r. pasa por materiales porosos con microorganismos adheridos.
    • Ventajas: Bajo costo de oxígeno, menos sensibilidad a las cargas orgánicas.
    • Desventajas: Posibles atascos, proceso complejo.
  • Reactores Rotatorios de Contacto (Biodiscos): Superficies rugosas giran parcialmente sumergidas para permitir la adhesión de microorganismos y la aireación.
    • Ventajas: Requieren poco espacio, generan pocos sólidos y consumen poca energía.
    • Desventajas: Sensibles a la temperatura y la velocidad de giro.

2.3.4 Tratamiento Terciario: Busca eliminar contaminantes no tratados previamente, prestando especial atención a los nutrientes. Procesa materia orgánica no biodegradable (M.O.nb), materia inorgánica disuelta (M.I.) y desinfecta.

• Eliminación de M.O.nb:
  • Adsorción sobre Carbón Activado: Método no destructivo que utiliza adsorbentes (carbón activado, sílica, arcillas, etc.) para retener moléculas o iones en su superficie.
    • Carbón Activado: Tiene una alta superficie específica (500–1.000 m²/g) y porosidad (micro y mesoporos).
    • PACT (Powdered Activated Carbon Treatment): Usa polvo de carbón activado en coagulación-floculación, mejora la sedimentación y puede generar una biomasa en su superficie.
    • GAC (Granular Activated Carbon): Utiliza columnas de carbón granular.
  • Oxidación Química: Método destructivo.
    • Ozono (O₃): Oxidante parcial que genera productos biodegradables y reduce el olor, el color y la DQO.
    • Peróxido de Hidrógeno (H₂O₂): Produce radicales en condiciones ácidas.
    • Oxidación con Aire: Alta eficacia (>99%), pero costosa por su requerimiento de altas temperaturas y presiones.
• Eliminación de M.I. Disuelta:
  • Intercambio Iónico: Utiliza resinas (catiónicas y aniónicas) que intercambian iones del agua residual por otros equivalentes.
    • Aplicaciones: Ablandamiento y desionización (por ejemplo, sustitución de Ca²⁺ y Mg²⁺ por H⁺ o Na⁺).
    • Propiedades Clave de las Resinas: Capacidad de intercambio, resistencia química y selectividad.
• Desinfección: Busca destruir microorganismos patógenos responsables de enfermedades infecciosas.
  • Métodos Físicos: Calor (agua hirviendo), radiación UV, ultrasonidos.
  • Métodos Químicos: Cloro (Cl₂), bromo (Br₂), ozono (O₃), ácidos, bases.
  • Desinfección con Cloro: El Cl₂ (cloro) y el NaOCl (hipoclorito sódico) son los más usados. El Cl₂ es más barato y estable, mientras que el NaOCl es menos tóxico y corrosivo. El HOCl y el OCl⁻ (cloro libre disponible) reaccionan con los microorganismos. En presencia de NH₃, forman cloroaminas, que retrasan la desinfección. Se añade cloro hasta alcanzar el «punto de ruptura».
• Ventajas del Tratamiento Terciario:
  • Proporciona una depuración avanzada.
  • Es necesario en casos donde la eliminación de nutrientes o la desinfección son esenciales.

3. Gestión y Tratamiento de Fangos

3.1 Procedencia y Características del Fango: La línea de fangos abarca los procesos necesarios para el tratamiento integral de los fangos generados en una planta depuradora, enfocándose en su estabilización, reducción de volumen, valorización o vertido final.

• Características del Fango:
  • Fango (Lodo): Producto residual de la planta depuradora. Puede ser líquido, semisólido, pastoso o sólido. Es una corriente líquida con mayor concentración de sólidos respecto al agua residual inicial.
  • Dificultades de Gestión: Corriente diluida en sólidos (≈10% en peso). Alta proporción de materia orgánica (M.O.) biodegradable, propensa a la descomposición y generación de olores. Presencia potencial de organismos patógenos.
• Procedencia de los Fangos en las Distintas Etapas de Tratamiento:
  • Tratamiento Previo: Residuos de desbaste y desarenado.
  • Tratamiento Primario:
    • Espumas: Grasas, aceites y restos de alimentos.
    • Fangos: Principalmente M.O. en suspensión con alto porcentaje mineral y un contenido sólido del 1-3% en peso.
  • Tratamiento Secundario:
    • Fangos Activos: M.O. muy biodegradable e inestable (contenido sólido de 0,6-1%).
    • Fangos de Filtros Percoladores: M.O. más estable y mayor concentración sólida (3-4%).
  • Tratamiento Terciario: Fangos digeridos con M.O. estabilizada.

3.2. Operaciones de Tratamiento del Fango

• Pretratamiento del Fango: Busca homogeneizar las propiedades del fango para optimizar las etapas posteriores. Incluye operaciones como trituración, mezclado y desarenado.
• Espesamiento: Aumenta el contenido en sólidos para reducir el volumen de los digestores.
  • Métodos:
    • Gravedad: En tanques de sedimentación para fangos decantables.
    • Flotación: Usa aire disuelto para fangos de bajo peso específico.
• Estabilización del Fango: Reduce la materia orgánica biodegradable (50%) para prevenir la putrefacción.
  • Métodos:
    • Químico: Usa Cl₂ o CaO. El Cl₂ elimina patógenos y produce CO₂; el CaO estabiliza pero aumenta el volumen.
    • Térmico: Combina alta presión y temperatura, destruye patógenos y facilita la deshidratación.
    • Biológico: Aerobio (barato y simple) o anaerobio (produce CH₄). El anaerobio puede ser en etapa única (sin agitación) o doble (digestores en serie).
• Acondicionamiento: Facilita la deshidratación mediante coagulantes químicos (FeCl₃, Al₂(SO₄)₃, CaO) o tratamientos térmicos.
• Deshidratación: Reduce el contenido de agua y el volumen.
  • Métodos:
    • Filtración:
      • Filtros Rotatorios: Continuos, hasta 30% de sólidos.
      • Filtros Prensa: Discontinuos, hasta 45% de sólidos.
      • Filtros de Banda: Continuos, hasta 40% de sólidos.
    • Eras de Secado: Económicos, requieren espacio, 60% de sólidos tras 10-15 días.
    • Centrifugación: Emplea tornillo sin fin, hasta 25% de sólidos.
• Secado Térmico: Busca un contenido del 90% en sólidos mediante temperaturas >150°C. Emplea hornos rotatorios para fango seco o para incineración.
• Reducción Térmica: Convierte el fango en fuente de energía.
  • Métodos:
    • Combustión Completa: Autotérmica para fango seco o deshidratado.
    • Combustión Incompleta: Aplica a fango fresco, evita etapas previas.
    • Pirólisis: Sin O₂, produce gases, líquidos o sólidos aprovechables.
• Compostaje: Convierte el fango en compost similar al humus. Realizado principalmente en condiciones aerobias, incluye mezcla, aireación, maduración y almacenamiento final.

Etiquetas: aguas residuales, Contaminación del agua, DBO, DQO, fangos activos, tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento terciario