Introducción al tratamiento de aguas residuales

• Introducción al tratamiento de aguas residuales
• Dr. Carlos Lucio

Razones para tratar las aguas residuales

• La sobrecarga de un cuerpo de agua con aguas residuales provoca un bajo nivel de oxígeno disuelto en el agua.
• Puede causar la muerte de peces y la proliferación de algas.
• Incrementa la propagación de enfermedades de transmisión por agua como el cólera.
• Puede generar infracciones a los estándares de agua potable segura.
• Los nutrientes descargados en ríos y lagos actúan como fertilizante.
• Esto causa la proliferación de algas, un crecimiento excesivo y repentino de algas.
• El objetivo es limpiar las aguas residuales lo suficiente para proteger la salud pública y el medio ambiente.
• Esto se logra reduciendo la concentración de sólidos, materia orgánica, nutrientes, patógenos y otros contaminantes en las aguas residuales.

Componentes de las aguas residuales

• Agua
• Sólidos
• Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
• Nutrientes
• Lípidos, aceites y grasas
• Bacterias y patógenos

Tipos de sólidos en las aguas residuales (Tabla 1.1)

• Sólidos en suspensión totales (SST): no pueden pasar a través de un filtro de 1.2 µm.
• Total de sólidos volátiles en suspensión (SSV): no pueden pasar a través de un filtro de 1.2 µm, se consumen en un horno a 550 °C.
• Sólidos disueltos totales (SDT): pequeños para pasar por un filtro de 1.2 µm, la muestra debe secarse para ver los sólidos disueltos.
• Sólidos totales (TS): todo el material sólido de una muestra, incluye orgánicos e inorgánicos, TS = SST + SDT.
• Total de sólidos volátiles (SVT): todos los sólidos de una muestra que se consumen en un horno a 550 °C.
• El análisis de DBO se lleva a cabo por 5 días a 20 °C debido a una convención histórica.
• La DBO se considera una medida del material orgánico.
• El análisis en realidad mide la cantidad necesaria de oxígeno para tratar las aguas residuales.
• La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) puede ser materia orgánica particulada (sólida) o soluble (disuelta).
• 1 kg de DBO consume 1 kg de oxígeno.
• Incluye tanto la demanda bioquímica de oxígeno carbonosa (DBOC) como la demanda de oxígeno de compuestos nitrogenados (DON).
• DBO total = DBOC + DON (Ecuación 1.1)

Procesos básicos de tratamiento de aguas residuales

• Físicos: separación mecánica de los sólidos de gran tamaño de las aguas residuales.
• Las rejas constituyen la primera etapa de tratamiento, tienen aberturas de milímetros o de hasta 5 cm (2 in).
• Las rejas eliminan trozos de tela, palos y otros desechos grandes.
• Las partículas pequeñas que no son atrapadas por las rejas, pero más pesadas que el agua, pueden sedimentarse por gravedad.
• La separación por gravedad se produce en tanques en reposo de gran tamaño, como depósitos para arena, clarificadores primarios y secundarios.
• La flotación es lo opuesto a la separación por gravedad.
• Una cortina de burbujas de aire comprimido traslada material con capacidad de flotación a la parte superior del tanque, donde se elimina.
• El filtrado es otro proceso de tratamiento físico.
• Biológicos: cuando las aguas residuales se descargan a cursos de agua naturales, las bacterias y otros organismos utilizan la materia orgánica y los nutrientes como alimento.
• Estos contaminantes se convierten en más bacterias, dióxido de carbono, agua y otros subproductos.
• La mayoría de los sistemas de tratamiento natural no tiene poblaciones bacterianas grandes ni suficiente oxígeno para tratar grandes cantidades de desechos rápidamente.
• Las plantas de tratamiento de agua aceleran el proceso mediante la concentración de bacterias, el agregado de más oxígeno y el mantenimiento de la temperatura de las aguas de tratamiento lo más cálida posible.
• Químico: se utilizan químicos en el tratamiento de las aguas residuales, como hidróxido de sodio, cloruro férrico y alumbre.
• El hidróxido de sodio o compuestos de carbonato/bicarbonato de sodio se utilizan para regular el pH o la alcalinidad de las aguas residuales.
• El cloruro férrico sirve para el control de olores.
• El alumbre o compuestos de aluminio sirven para coagular sólidos y hacer que las partículas se unan para facilitar la eliminación.
• Cloruro férrico, alumbre u otras sales se usan para eliminar el fósforo.
• El cloro desinfecta las aguas residuales tratadas.
• El bisulfito de sodio, dióxido de azufre y otros químicos eliminan el cloro antes de devolver las aguas residuales tratadas al medio ambiente.
• Los polímeros sirven para la floculación y para espesar y deshidratar biosólidos.

Tipos de tratamiento

• Preliminar: remoción de basura y grasas.
• Primario: remoción de sólidos suspendidos y materia orgánica (adición química o filtración).
• Secundario: remoción de materia orgánica biodegradable y sólidos suspendidos.
• Terciario: remoción de sólidos suspendidos residuales, desinfección y remoción de nutrientes.
• Avanzado: remoción de materiales disueltos y suspendidos después de un tratamiento biológico.
• Contaminante sólidos suspendidos (turbidez y color): sedimentación, clarificación, flotación, precipitación química, filtración.
• Contaminante orgánicos biodegradables: tratamiento aerobio, tratamiento anaerobio, sistemas fisicoquímicos, oxidación química avanzada, filtración por membranas.
• Contaminante nitrógeno: oxidación química, arrastre por aire, intercambio iónico.
• Contaminante fósforo: remoción biológica.
• Contaminante patógenos: cloración, ozonación, tratamiento UV.
• Contaminante coloides y sólidos disueltos: membranas, adsorción, intercambio iónico.
• Contaminante olor: adsorción, filtración.
• Contaminante color: filtración, adsorción.
• Contaminante compuestos orgánicos volátiles: arrastre con aire, adsorción, oxidación avanzada, ósmosis inversa.

Regulaciones sobre el tratamiento de líquidos

• Marco jurídico del sector medio ambiente:
  • Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos
    • Leyes federales (LAN, LGEEPA)
    • Reglamentos federales
    • Normas oficiales mexicanas (NOM: CNA, SEMARNAT, SSA)
    • Normas mexicanas (métodos)
  • Constitución estatal
    • Leyes estatales y municipales
    • Reglamentos estatales y municipales
    • Normas estatales

Procesos de tratamiento de líquidos

• Red de alcantarillado:
  • Alcantarillados sanitarios: transportan aguas residuales desde diversas fuentes, infiltración de aguas subterráneas y afluencias pluviales.
  • Alcantarillados pluviales: transportan escorrentía de aguas pluviales y otras clases de drenajes.
  • Alcantarillados combinados: transportan tanto residuos sanitarios como aguas pluviales.
• Preliminar:
  • Proceso de tratamiento físico, ocurre en las obras de cabecera de la planta de tratamiento
  • Elimina desechos grandes para proteger los procesos y equipos aguas abajo
  • Incluye filtrado, eliminación de arena, mediciones de caudal y compensación de caudal
  • El volumen del material resultante del filtrado y de arena producido depende del área a la que se presta servicio
• Primario:
  • Proceso de tratamiento físico, disminuye la velocidad de las aguas residuales para eliminar el material sedimentable y flotante
  • Se utiliza la gravedad o la flotación
  • Reduce el tamaño y el costo de operación de los procesos de tratamiento secundario
  • No eliminan materiales coloidales, DBO soluble, fósforo soluble ni amoníaco
  • En las aguas residuales domésticas, el tratamiento primario elimina entre un 20 y un 35% de la DBO5 del caudal de entrada y entre un 60 y un 75% de los SST del caudal de entrada
• Secundario:
  • Proceso de tratamiento biológico
  • Los microorganismos consumen el material orgánico de las aguas residuales y lo convierten en más microorganismos, dióxido de carbono y agua
  • Aumenta el tamaño promedio de las partículas y de esa manera los sólidos biológicos se pueden separar de las aguas residuales por gravedad
  • Hay muchas variantes, procesos con película fija (filtros percoladores y contactores biológicos rotativos [RBC]) y procesos de crecimiento en suspensión (estanques y lodo activado)
  • Los procesos secundarios dependen de los mismos tipos de microorganismos
  • El efluente secundario cumple con los estándares para tratamiento secundario de 30 mg/L de DBO5 y SST y 25 mg/L para DBOC
• Avanzado:
  • Puede ser un tratamiento físico, biológico o químico
  • Incluyen los tratamientos que superan los estándares de tratamiento secundario, como la eliminación de amoníaco, nitrato, fósforo, metales y otros componentes
  • Incluye tecnologías como la filtración y la precipitación química
• Desinfección
  • Reduce el número de bacterias y patógenos en el efluente final, pero no es esterilización.
  • Las plantas de tratamiento utilizan gas cloro, hipoclorito de sodio (blanqueador) o luz ultravioleta para desinfectar
  • Protege la salud pública y el medio ambiente

Procesos de tratamiento de sólidos

• Espesamiento:
  • Proceso de tratamiento físico
  • Reduce el volumen total de lodos mediante la eliminación de agua
  • Puede ser necesario agregar polímeros
  • Los lodos espesados habitualmente contienen entre un 2 y un 8% de sólidos totales
  • Ocurre antes de la estabilización del lodo
  • Hay muchas tecnologías como los espesadores de flotación por aire disuelto (DAFT), tambor rotativo, espesadores con banda de gravedad:
    • El espesamiento ocurre antes de la estabilización y la deshidratación ocurre después de la estabilización
    • El espesamiento y la deshidratación utilizan muchas tecnologías en común
• Estabilización
  • Proceso de tratamiento biológico o químico
  • Convierte el lodo en biosólidos, reduce los patógenos
  • El tratamiento biológico consiste en digestión aerobia o anaerobia, ambos métodos reducen la masa total de biosólidos en un 40%
  • El tratamiento biológico reduce el contenido de sólidos volátiles hasta en un 50%
  • El tratamiento biológico convierte los lodos primario y secundario en dióxido de carbono y agua
  • En la digestión anaerobia también se produce biogás, que contiene aproximadamente un 65% de metano y 35% de dióxido de carbono
  • El método de sólidos volátiles permite estimar la cantidad de material orgánico remanente en el lodo o los biosólidos.
  • Sólidos volátiles mayores indican cantidades más grandes de material orgánico.
  • NOM-004-SEMARNAT-2002:
    • PROTECCION AMBIENTAL-LODOS Y BIOSOLIDOS-ESPECIFICACIONES Y LIMITES MAXIMOS PERMISIBLES DE CONTAMINANTES PARA SU APROVECHAMIENTO Y DISPOSICION FINAL.
    • Esta Norma Oficial Mexicana establece las especificaciones y los límites máximos permisibles de contaminantes en los lodos y biosólidos provenientes del desazolve de los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, de las plantas potabilizadoras y de las plantas de tratamiento de aguas residuales, con el fin de posibilitar su aprovechamiento o disposición final y proteger al medio ambiente y la salud humana.
    • Aprovechamiento: es el uso de los biosólidos como mejoradores o acondicionadores de los suelos por su contenido de materia orgánica y nutrientes, o en cualquier actividad que represente un beneficio.
    • Biosólidos: lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su estabilización, puedan ser susceptibles de aprovechamiento.
    • Estabilización: Son los procesos físicos, químicos o biológicos a los que se someten los lodos para acondicionarlos para su aprovechamiento o disposición final para evitar o reducir sus efectos contaminantes al medio ambiente.
    • Lodos: son sólidos con un contenido variable de humedad, provenientes del desazolve de los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, de las plantas potabilizadoras y de las plantas de tratamiento de aguas residuales, que no han sido sometidos a procesos de estabilización.
    • Para aprovechamiento de los biosólidos, cumplir con especificación 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 y 4.8; y tablas 1, 2 y 3 de la Norma Oficial Mexicana.
    • 4.4: generadores de biosólidos deben controlar la atracción de vectores, conservando registros del control por 5 años.
    • 4.5: biosólidos se clasifican en tipo: excelente y bueno por contenido de metales pesados; y en clase: A, B y C por contenido de patógenos y parásitos.
    • 4.6: límites máximos permisibles de metales pesados se establecen en la tabla 1.
    • 4.7: límites máximos permisibles de patógenos y parásitos en los lodos y biosólidos se establecen en la tabla 2.
    • 4.8: aprovechamiento de biosólidos, se establece en función del tipo y clase, tabla 3 y su contenido de humedad hasta el 85%. TABLA 1: LIMITES MAXIMOS PERMISIBLES PARA METALES PESADOS EN BIOSOLIDOS
    • Contaminante (determinados en forma total)| EXCELENTES mg/kg en base seca | BUENOS mg/kg en base seca
      • Arsénico | 41 | 75
      • Cadmio | 39 | 85
      • Cromo | 1 200 | 3 000
      • Cobre | 1 500 | 4 300
      • Plomo | 300 | 840
      • Mercurio | 17 | 57
      • Níquel | 420 | 420
      • Zinc |2 800 | 7 500 TABLA 2: LIMITES MAXIMOS PERMISIBLES PARA PATOGENOS Y PARASITOS EN LODOS Y BIOSOLIDOS
    • Clase | INDICADOR BACTERIOLOGICO DE CONTAMINACION | PATOGENOS | PARASITOS
      • Clase A | Coliformes fecales NMP/g en base seca <1,000 | Salmonella spp. NMP/g en base seca <3 | Huevos de helmintos/g en base seca > 1(a)
      • Clase B | Coliformes fecales NMP/g en base seca <1,000 | Salmonella spp. NMP/g en base seca <3 | Huevos de helmintos/g en base seca < 10
      • Clase C |Coliformes fecales NMP/g en base seca < 2,000,000 | Salmonella spp. NMP/g en base seca < 300 | Huevos de helmintos/g en base seca < 35 (a) Huevos de helmintos viables NMP número más probable

TABLA 3 : APROVECHAMIENTO BIOSOLIDOS - TIPO | CLASE | APROVECHAMIENTO - EXCELENTE | A | Usos urbanos con contacto público directo durante su aplicación - Los establecidos para clase By C - EXCELENTE O BUENO | B | Usos urbanos sin contacto público directo durante su aplicación -Los establecidos para clase C - EXCELENTE O BUENO | C | Usos forestales - Mejoramientos de suelos-Usos agrícolas

• Deshidratación:
  • Proceso de tratamiento físico
  • Reduce el volumen total de biosólidos para disposición
  • Ocurre después de la estabilización del lodo
  • Utiliza varias de las mismas tecnologías que el espesamiento de lodos, prensas de filtro de bandas, prensas filtro de placas y marcos y centrífugas
  • Es necesario el agregado de polímeros
  • Los sólidos deshidratados se conocen como "torta”, contienen hasta un 50% de sólidos totales según la tecnología utilizada Ejemplo de un proceso de tratamiento de lodo activado