Lunes, marzo de 28 2011 19: 50

Tratamiento de Aguas Residuales

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Adaptado de la 3ra edición, Enciclopedia de Salud y Seguridad Ocupacional.

Las aguas residuales se tratan para eliminar los contaminantes y cumplir con los límites establecidos por la ley. Para ello se intenta insolubles los contaminantes del agua en forma de sólidos (p. ej., lodos), líquidos (p. ej., aceite) o gases (p. ej., nitrógeno) mediante la aplicación de tratamientos adecuados. A continuación, se utilizan técnicas bien conocidas para separar las aguas residuales tratadas que se devolverán a los cursos de agua naturales de los contaminantes insolubles. Los gases se dispersan en la atmósfera, mientras que los residuos líquidos y sólidos (lodos, aceites, grasas) suelen digerirse antes de someterse a un tratamiento posterior. Puede haber tratamientos de una o varias etapas según las características de las aguas residuales y el grado de depuración requerido. El tratamiento de aguas residuales se puede subdividir en procesos físicos (primarios), biológicos (secundarios) y terciarios.

Procesos físicos

Los diversos procesos de tratamiento físico están diseñados para eliminar los contaminantes insolubles.

examen en línea.

Las aguas residuales se hacen pasar a través de filtros que retienen sólidos gruesos que pueden bloquear o dañar los equipos de las obras de tratamiento (por ejemplo, válvulas y bombas). Las proyecciones se procesan de acuerdo con las situaciones locales.

Eliminación de arena

La arena contenida en las aguas residuales debe eliminarse ya que tiende a depositarse en las tuberías debido a su alta densidad y provoca abrasión en los equipos (por ejemplo, separadores centrífugos y turbinas). La arena generalmente se elimina haciendo pasar el agua residual a través de un canal de sección transversal constante a una velocidad de 15 a 30 cm/s. La arena se acumula en el fondo del canal y puede usarse, después de lavarla para eliminar la materia putrescible, como material inerte, por ejemplo, para la construcción de carreteras.

Eliminación de aceite

Los aceites y grasas no emulsionables tienen que ser eliminados porque se adherirían a los equipos de las plantas de tratamiento (p. ej., balsas y clarificadores) e interferirían con el tratamiento biológico posterior. Las partículas de aceite y grasa se acumulan en la superficie haciendo pasar el agua residual a una velocidad apropiada a través de tanques de sección transversal rectangular; se desnatan mecánicamente y pueden utilizarse como combustible. Los separadores de placas múltiples de diseño compacto y alta eficiencia se utilizan con frecuencia para la eliminación de aceite: las aguas residuales se hacen pasar desde arriba a través de pilas de placas inclinadas planas; el aceite se adhiere a las superficies inferiores de las placas y se mueve hacia la parte superior donde se recoge. Con estos dos procesos, el agua desaceitada se descarga en el fondo.

Sedimentación, flotación y coagulación.

Estos procesos permiten eliminar los sólidos de las aguas residuales, los pesados ​​(mayores de 0.4 μm de diámetro) por sedimentación y los livianos (menores de 0.4 μm) por flotación. Este tratamiento también se basa en las diferencias de densidad de los sólidos y del flujo de agua residual que pasa a través de tanques de sedimentación y tanques de flotación hechos de hormigón o acero. Las partículas a separar se acumulan en el fondo o en la superficie, asentándose o ascendiendo a velocidades que son proporcionales al cuadrado del radio de las partículas ya la diferencia entre la densidad de las partículas y la densidad aparente del agua residual. Las partículas coloidales (p. ej., proteínas, látex y emulsiones oleosas) con tamaños de 0.4 a 0.001 μm no se separan, ya que estos coloides se hidratan y normalmente se cargan negativamente por adsorción de iones. En consecuencia, las partículas se repelen entre sí de modo que no pueden coagularse y separarse. Sin embargo, si estas partículas se “desestabilizan”, se coagulan para formar copos de más de 4 μm, que pueden separarse como lodos en tanques convencionales de sedimentación o flotación. La desestabilización se obtiene por coagulación, es decir, añadiendo de 30 a 60 mg/l de un coagulante inorgánico (sulfato de aluminio, sulfato de hierro (II) o cloruro de hierro (III)). El coagulante se hidroliza en determinadas condiciones de pH (acidez) y forma iones metálicos polivalentes positivos, que neutralizan la carga negativa del coloide. La floculación (la aglomeración de partículas coaguladas en copos) se facilita añadiendo de 1 a 3 mg/l de polielectrolitos orgánicos (agentes de floculación), lo que da como resultado copos de 0.3 a 1 μm de diámetro que son más fáciles de separar. Pueden utilizarse tanques de sedimentación del tipo de flujo horizontal; tienen sección transversal rectangular y fondos planos o inclinados. El agua residual entra por uno de los lados de la cabeza, y el agua clarificada sale por el borde por el lado opuesto. También se pueden usar tanques de sedimentación de flujo vertical que son de forma cilíndrica y tienen un fondo como un cono circular recto invertido; el agua residual entra por el medio, y el agua clarificada sale del tanque por el borde superior dentado para ser recogida en un canal circunferencial externo. Con los dos tipos de tanque, el lodo se deposita en el fondo y se transporta (si es necesario mediante un mecanismo de rastrillado) a un colector. La concentración de sólidos en los lodos es de 2 a 10%, mientras que la del agua clarificada es de 20 a 80 mg/l.

Los tanques de flotación suelen tener forma cilíndrica y tienen instalados difusores de aire de burbujas finas en sus fondos, las aguas residuales ingresan a los tanques en el centro. Las partículas se adhieren a las burbujas, flotan en la superficie y se desnatan, mientras que el agua clarificada se descarga debajo. En el caso de los “tanques flotantes de aire disuelto” más eficientes, el agua residual se satura con aire a una presión de 2 a 5 bares y luego se deja expandir en el centro del tanque flotante, donde se forman las diminutas burbujas resultantes de la la descompresión hace que las partículas floten hacia la superficie.

En comparación con la sedimentación, la flotación produce un lodo más espeso a una mayor velocidad de separación de partículas y, por lo tanto, el equipo requerido es más pequeño. Por otro lado, el costo de operación y la concentración de sólidos en el agua clarificada son mayores.

Se requieren varios tanques dispuestos en serie para coagular y flocular un sistema coloidal. Se añade al agua residual un coagulante inorgánico y, si es necesario, un ácido o un álcali para corregir el valor del pH en el primer tanque, que está equipado con un agitador. Luego, la suspensión se pasa a un segundo tanque equipado con un agitador de alta velocidad; aquí, el polielectrolito se agrega y se disuelve en unos pocos minutos. El crecimiento de la parvada se lleva a cabo en un tercer tanque con un agitador de marcha lenta y se lleva a cabo durante 10 a 15 minutos.

Procesos Biológicos

Los procesos de tratamiento biológico eliminan los contaminantes orgánicos biodegradables mediante el uso de microorganismos. Estos organismos digieren el contaminante por un proceso aeróbico o anaeróbico (con o sin aporte de oxígeno atmosférico) y lo convierten en agua, gases (dióxido de carbono y metano) y una masa microbiana sólida insoluble que se puede separar del agua tratada. Especialmente en el caso de efluentes industriales se deben asegurar las condiciones adecuadas para el desarrollo de microorganismos: presencia de compuestos de nitrógeno y fósforo, trazas de microelementos, ausencia de sustancias tóxicas (metales pesados, etc.), temperatura y valor de pH óptimos. El tratamiento biológico incluye procesos aeróbicos y anaeróbicos.

Procesos aeróbicos

Los procesos aeróbicos son más o menos complejos según el espacio disponible, el grado de depuración requerido y la composición de las aguas residuales.

Estanques de estabilización

Estos son generalmente rectangulares y de 3 a 4 m de profundidad. Las aguas residuales entran por un extremo, se dejan entre 10 y 60 días y salen del estanque en parte por el extremo opuesto, en parte por evaporación y en parte por infiltración en el suelo. La eficiencia de depuración oscila entre el 10 y el 90 % según el tipo de efluente y la demanda biológica de oxígeno residual de 5 días (DBO5) contenido (<40 mg/l). El oxígeno proviene de la atmósfera por difusión a través de la superficie del agua y de las algas fotosintéticas. Los sólidos en suspensión en las aguas residuales y los producidos por la actividad microbiana se depositan en el fondo, donde son estabilizados por procesos aeróbicos y/o anaeróbicos según la profundidad de las balsas lo que afecta la difusión tanto del oxígeno como de la luz solar. La difusión de oxígeno es frecuentemente acelerada por aireadores de superficie, que permiten reducir el volumen de los estanques.

 

Este tipo de tratamiento es muy económico si se dispone de espacio, pero requiere un suelo arcilloso para evitar la contaminación de las aguas subterráneas por efluentes tóxicos.

Lodo activado

Se utiliza para un tratamiento acelerado realizado en depósitos de hormigón o acero de 3 a 5 m de profundidad donde el agua residual entra en contacto con una suspensión de microorganismos (2 a 10 g/l) que se oxigena mediante aireadores de superficie o soplando aire. Después de 3 a 24 horas, la mezcla de agua tratada y microorganismos se pasa a un tanque de sedimentación donde se separa el lodo formado por microorganismos del agua. Los microorganismos se devuelven en parte al tanque aireado y en parte se evacuan.

Hay varios tipos de procesos de lodos activados (p. ej., sistemas de estabilización por contacto y uso de oxígeno puro) que producen eficiencias de purificación superiores al 95 % incluso para efluentes industriales, pero requieren controles precisos y un alto consumo de energía para el suministro de oxígeno.

Filtros percoladores

Con esta técnica los microorganismos no se mantienen en suspensión en el agua residual, sino que se adhieren a la superficie de un material de relleno sobre el que se rocía el agua residual. El aire circula a través del material y suministra el oxígeno necesario sin ningún consumo de energía. Según el tipo de agua residual y para aumentar la eficiencia, parte del agua tratada se recircula a la parte superior del lecho filtrante.

Cuando se dispone de terreno, se utilizan materiales de relleno de bajo costo y tamaño adecuado (p. ej., piedra triturada, clinker y piedra caliza) y, debido al peso del lecho, el filtro percolador se construye generalmente como un tanque de hormigón de 1 m de altura, generalmente hundido. en el suelo. Si no hay suficiente terreno, los materiales de embalaje livianos más costosos, como los medios de nido de abeja de plástico de alta calidad, con hasta 250 metros cuadrados de área de superficie/metro cúbico de medio, se apilan en torres de percolación de hasta 10 m de altura.

El agua residual se distribuye sobre el lecho filtrante mediante un mecanismo de aspersión móvil o fijo y se recoge en el suelo para ser finalmente recirculada a la parte superior y pasar a un tanque de sedimentación donde se depositan los lodos formados. Las aberturas en la parte inferior del filtro percolador permiten la circulación de aire a través del lecho del filtro. Se logran eficiencias de eliminación de contaminantes del 30 al 90%. En muchos casos se disponen varios filtros en serie. Esta técnica, que requiere poca energía y es fácil de operar, ha encontrado un uso generalizado y se recomienda para casos donde hay tierra disponible, por ejemplo, en países en desarrollo.

biodiscos

Un conjunto de discos planos de plástico montados en paralelo sobre un eje giratorio horizontal se sumergen parcialmente en el agua residual contenida en un tanque. Debido a la rotación, el fieltro biológico que recubre los discos se pone en contacto con los efluentes y el oxígeno atmosférico. El lodo biológico procedente de los biodiscos queda en suspensión en el agua residual, y el sistema actúa como lodo activado y tanque de sedimentación al mismo tiempo. Los biodiscos son adecuados para pequeñas y medianas fábricas industriales y comunidades, ocupan poco espacio, son fáciles de operar, requieren poca energía y tienen eficiencias de hasta el 90 %.

Procesos anaerobios

Los procesos anaerobios son llevados a cabo por dos grupos de microorganismos:bacterias hidrolíticas, que descomponen sustancias complejas (polisacáridos, proteínas, lípidos, etc.) en ácido acético, hidrógeno, dióxido de carbono y agua; y bacterias metanogénicas, que convierten estas sustancias en biomasa (que se puede eliminar de las aguas residuales tratadas mediante sedimentación) y en biogás que contiene entre un 65 y un 70 % de metano, siendo el resto dióxido de carbono y con un valor calorífico elevado.

Estos dos grupos de microorganismos, muy sensibles a los contaminantes tóxicos, actúan simultáneamente en ausencia de aire a un valor de pH casi neutro, requiriendo algunos una temperatura de 20 a 38oC (bacterias mesófilas) y otras más delicadas, 60 a 65oC (bacterias termófilas). El proceso se realiza en hormigón agitado, cerrado o acero digestores, donde la temperatura requerida se mantiene mediante termostatos. Típico es el proceso de contacto, donde al digestor le sigue un tanque de sedimentación para separar los lodos, que son parcialmente recirculados al digestor, del agua tratada.

Los procesos anaeróbicos no necesitan oxígeno ni energía para el suministro de oxígeno y producen biogás, que puede usarse como combustible (bajos costos operativos). Por otro lado, son menos eficientes que los procesos aeróbicos (DBO residual5: 100 a 1,500 mg/l), son más lentos y más difíciles de controlar, pero permiten destruir los microorganismos fecales y patógenos. Se utilizan para el tratamiento de residuos fuertes, como lodos de sedimentación de aguas residuales, lodos en exceso de lodos activados o tratamientos con filtros percoladores y efluentes industriales con DBO5 hasta 30,000 mg/l (p. ej., de destilerías, cervecerías, refinerías de azúcar, mataderos y fábricas de papel).

Procesos Terciarios

Los procesos terciarios, más complejos y costosos, hacen uso de reacciones químicas o técnicas físicas o químicas específicas para eliminar contaminantes no biodegradables solubles en agua, tanto orgánicos (p. ej., colorantes y fenoles) como inorgánicos (p. ej., cobre, mercurio, níquel, fosfatos , fluoruros, nitratos y cianuros), especialmente de aguas residuales industriales, ya que no pueden ser eliminados por otros tratamientos. El tratamiento terciario también permite obtener un alto grado de depuración del agua, pudiéndose utilizar el agua así tratada como agua potable o para procesos de fabricación (generación de vapor, sistemas de refrigeración, agua de proceso para fines particulares). Los procesos terciarios más importantes son los siguientes.

Precipitación

La precipitación se lleva a cabo en reactores construidos con un material apropiado y equipados con agitadores donde se agregan reactivos químicos a temperatura y valor de pH controlados para convertir el contaminante en un producto insoluble. El precipitado obtenido en forma de lodo se separa por técnicas convencionales del agua tratada. En las aguas residuales de la industria de fertilizantes, por ejemplo, los fosfatos y fluoruros se vuelven insolubles por reacción con cal a temperatura ambiente y pH alcalino; el cromo (industria del curtido), el níquel y el cobre (talleres de galvanoplastia) se precipitan como hidróxidos a pH alcalino después de haber sido reducidos con m-disulfito a un pH de 3 o inferior.

Oxidación química

El contaminante orgánico se oxida con reactivos en reactores similares a los que se utilizan para la precipitación. La reacción generalmente continúa hasta que se obtienen agua y dióxido de carbono como productos finales. Los cianuros, por ejemplo, se destruyen a temperatura ambiente agregando hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio a pH alcalino, mientras que los colorantes de azo y antraquinona se descomponen con peróxido de hidrógeno y sulfato ferroso a pH 4.5. Los efluentes coloreados de la industria química que contienen de 5 a 10 % de sustancias orgánicas no biodegradables se oxidan a 200 a 300 °C a alta presión en reactores hechos de materiales especiales al inyectar aire y oxígeno en el líquido (oxidación húmeda); A veces se utilizan catalizadores. Los patógenos que quedan en las aguas residuales urbanas después del tratamiento se oxidan mediante cloración u ozonización para potabilizar el agua.

Absorción

Algunos contaminantes (p. ej., fenoles en las aguas residuales de las plantas de coque, colorantes en el agua para fines industriales o para beber y tensioactivos) se eliminan eficazmente mediante la absorción en polvo o gránulos de carbón activado que son muy porosos y tienen una gran superficie específica (de 1000 m2/g o más). El polvo de carbón activado se agrega en cantidades medidas al agua residual en tanques agitados y, de 30 a 60 minutos más tarde, el polvo gastado se elimina como lodo. El carbón activado granulado se utiliza en torres dispuestas en serie por las que pasa el agua contaminada. El carbón gastado se regenera en estas torres, es decir, el contaminante absorbido se elimina mediante tratamiento químico (p. ej., los fenoles se lavan con soda) o por oxidación térmica (p. ej., colorantes).

Intercambio iónico

Ciertas sustancias naturales (p. ej., zeolitas) o compuestos artificiales (p. ej., Permutit y resinas) intercambian, de forma estequiométrica y reversible, los iones ligados a ellas con los contenidos, incluso fuertemente diluidos, en las aguas residuales. El cobre, el cromo, el níquel, los nitratos y el amoníaco, por ejemplo, se eliminan de las aguas residuales por percolación a través de columnas llenas de resinas. Cuando las resinas se gastan, se reactivan lavando con soluciones regeneradoras. Los metales se recuperan así en una solución concentrada. Este tratamiento, aunque costoso, es eficaz y aconsejable en los casos en que se requiera un alto grado de pureza (por ejemplo, para aguas residuales contaminadas con metales tóxicos).

Osmosis inversa

En casos especiales es posible extraer agua de alta pureza, apta para beber, a partir de aguas residuales diluidas haciéndolas pasar a través de membranas semipermeables. En el lado de las aguas residuales de la membrana, los contaminantes (cloruros, sulfatos, fosfatos, colorantes, ciertos metales) quedan como soluciones concentradas que deben eliminarse o tratarse para su recuperación. El agua residual diluida se somete a presiones de hasta 50 bares en una planta especial que contiene membranas sintéticas hechas de acetato de celulosa u otros polímeros. El costo operativo de este proceso es bajo y se pueden obtener eficiencias de separación superiores al 95%.

Tratamiento de Lodos

Hacer que los contaminantes sean insolubles durante el tratamiento de aguas residuales da como resultado la producción de cantidades considerables de lodo (20 a 30 % de la demanda química de oxígeno (DQO) eliminada que está fuertemente diluida (90 a 99 % de agua)). La eliminación de estos lodos de forma aceptable para el medio ambiente presupone tratamientos con un coste de hasta el 50% de los necesarios para la depuración de aguas residuales. Los tipos de tratamiento dependen del destino de los lodos, dependiendo a su vez de sus características y de las situaciones locales. Los lodos pueden tener como destino:

  • fertilización o vertido al mar si está sustancialmente libre de sustancias tóxicas y contiene compuestos de nitrógeno y fósforo (lodos del tratamiento biológico), mediante emisarios fijos, camiones o barcazas
  • relleno sanitario en pozos excavados en el suelo, alternando capas de lodo y suelo. La impermeabilización de las turbas es necesaria si el lodo contiene sustancias tóxicas que pueden ser arrastradas por las precipitaciones atmosféricas. Los pozos deben estar alejados de los estratos acuíferos. El lodo orgánico no estabilizado generalmente se mezcla con 10 a 15% de cal para retardar la putrefacción.
  • incineración en hornos rotatorios o de lecho fluidizado si el lodo es rico en sustancias orgánicas y libre de metales volátiles; si es necesario, se agrega combustible y se purifica el humo emitido.

 

Los lodos se deshidratan antes de su eliminación para reducir tanto su volumen como el coste de su tratamiento, y con frecuencia se estabilizan para evitar su putrefacción y hacer inofensivas las sustancias tóxicas que puedan contener.

Drenaje

El desaguado incluye espesamientos previos en espesadores, similares a los tanques de sedimentación, donde los lodos se dejan entre 12 y 24 horas y pierden parte del agua que se acumula en la superficie, mientras que los lodos espesados ​​se descargan debajo. Los lodos espesados ​​se deshidratan, por ejemplo, por separación centrífuga o por filtración (al vacío o a presión) con equipos convencionales, o por exposición al aire en capas de 30 cm de espesor en lechos de secado de lodos constituidos por lagunas rectangulares de hormigón, de aproximadamente 50 cm de profundidad, con fondo inclinado cubierto con una capa de arena para facilitar el drenaje del agua. Los lodos que contengan sustancias coloidales deben ser previamente desestabilizados por coagulación y floculación, según las técnicas ya descritas.

Estabilización

La estabilización incluye la digestión y la desintoxicación. La digestión es un tratamiento a largo plazo del lodo durante el cual éste pierde del 30 al 50% de su materia orgánica, acompañado de un aumento en su contenido en sales minerales. Este lodo ya no es putrescible, se destruyen los patógenos y se mejora la filtrabilidad. La digestión puede ser del tipo aeróbica cuando los lodos se airean durante 8 a 15 días a temperatura ambiente en tanques de concreto, siendo el proceso similar al tratamiento con lodos activados. Puede ser de tipo anaeróbico si el lodo es digerido en plantas similares a las utilizadas para el tratamiento anaeróbico de residuos, a 35 a 40°C durante 30 a 40 días, con producción de biogás. La digestión puede ser de tipo térmico cuando el lodo se trata con aire caliente a 200 a 250°C y a una presión superior a 100 bares durante 15 a 30 minutos (combustión húmeda), o cuando se trata, en ausencia de aire, a 180°C ya presión autógena, durante 30 a 45 minutos.

La desintoxicación vuelve inofensivos los lodos que contienen metales (p. ej., cromo, níquel y plomo), que se solidifican mediante el tratamiento con silicato de sodio y se convierten autotérmicamente en los correspondientes silicatos insolubles.

 

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