Introducción

Las fuentes de agua dulce son una necesidad para la vida del ser humano en todos sus ámbitos de crecimiento. Principalmente en países con economías en desarrollo, las principales fuentes de agua dulce, superficiales y subterráneos, están siendo contaminadas debido al acelerado crecimiento poblacional fuera de modelos de desarrollo sostenible, que dejan de lado la gestión integral del agua y su tratamiento efectivo, permitiendo que descargas de desechos orgánicos e inorgánicos, producto de actividades humanas, contaminen las fuentes de agua dulce, lo que causa daños a los ecosistemas y altos costos a la salud humana.

Actualmente, para los países en desarrollo, las regulaciones ambientales ya penalizan en alguna medida a quienes contaminan el medio ambiente a través de sus descargas de aguas residuales sin tratamiento. Lo anterior, sumado a la agenda global de reforzar las políticas para protección del medio ambiente, hará que las penalizaciones sean cada vez más severas. Por lo tanto, reducir la contaminación debido a descargas de aguas residuales, debe ser una alta prioridad para los entes generadores y los entes reguladores.

Muchas municipalidades tienen el mismo problema en común, una situación en cuanto a sus descargas de aguas residuales y desechos sólidos, que contamina sus recursos de suelo y agua, afectando así sus ecosistemas, sus fuentes de agua, y por lo tanto, impacta negativamente la salud de su población, sin dejar de la lado, la contaminación de otros recursos naturales y espacios para recreación. Al mismo tiempo, esta situación brinda una oportunidad para las municipalidades desde la perspectiva de la economía circular; debido a todas las materias primas, energía y la misma agua, que se puede recuperar de los desechos con un valor económico significativo. Por lo tanto, para las municipalidades debe ser un tema de mucho interés; el resolver esta situación, danto un tratamiento efectivo a sus aguas residuales.

Tipos de Agua Residual

El tipo de tratamiento estará determinado por el tipo de agua residual, el cual a su vez está determinado por su origen, ya que según el uso que se le haya dado a la misma, habrán sido los parámetros de calidad del agua que se hayan visto afectados. Entre los principales parámetros de calidad del agua se pueden mencionar los fisicoquímicos como pH, demanda biológica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), grasas y aceites (FOGs), sólidos suspendidos totales (SST); fijos (SSF) y volátiles (SSV), nitrógeno y fósforo total, metales pesados, entre otros. Y entre los parámetros microbiológicos se pueden mencionar los coliformes fecales y E-Coli.

Cada uno de los parámetros anteriores tendran mayor o menor concentración según el tipo de agua residual y su origen. Siendo así, de forma general, un agua residual ordinaria (de origen doméstico) con cargas de DBO y DQO mas bajas que las generadas por procesos industriales de producción de alimentos, procesos textiles, etc.

El agua residual municipal es el tipo de agua mas abundante, ya que los sistemas de recolección de aguas residuales de una municipalidad abarcan extensiones de area mas grandes que combina descargas de aguas ordinarias e industriales. Es típicamente categorizada, dentro de la literatura mas utilizada, como aguas de baja carga contaminante. Tiene el potencial de producir enegía renovable, convirtiendo su contenido órganico en biogás a través de digestión anaerobia, y al mismo tiempo, se puede producir fertilizante líquido, y agua limpia para las comunidades vecinas.

Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

El tratamiento del agua residual es divido en dos principales tipos de tratamientos: biológico y fisicoquímico. Diferentes tecnologías, para ambos tipos de tratamiento, pueden ser utilizadas para tratar el agua según las  concentraciones de sus parámetros contaminantes y los objetivos de tratamiento.

En cuanto a las municipalidades, principalmente de países en vías de desarrollo, las tecnologías mas utilizadas son las mas convencionales, como los filtros percoladores, sistemas con lagunas, humedales naturales, que son tecnologías cuyos tiempos de retención, pueden ir desde los 3 hasta 100 días ¹. Los sistemas convencionales tienen la característica de requerir mayor espacio, generan emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) por la amplia superficie de los reactores, y en muchas ocasiones, reflejan bajas eficiencias.

Nuevas tecnologías se han desarrollado para mejorar la relación costo-beneficio y costo-eficiencia del tratamiento de aguas residuales. Entre estas tecnologías se pueden mencionar los reactores biológicos anaerobios UASB, EGSB, FAFA, y reactores biológicos aerobios como lodos activados (LA) de lecho fuidizado en suspensión (CSTR), y sus otras modalidades: MBBR, IFAS, SBR, MBR, entre otros. En ocasiones, una combinación entre tecnologías avanzadas, incluso, entre teconologías avanzadas y convencionales, pueden proporcionar el sistema óptimo de tratamiento, en términos costo eficiencia, según el contexto general de un proyecto. ¹

Tratamiento Biológico

Las plantas de tratamiento biológico pueden ser anaerobias, aerobias, o una combinación de ambas. Plantas que combinan procesos anaerobio-aerobio han recibido principal atención debido a las ventajas que representa, como reducir el consumo energético, menos insumos químicos, menor producción de lodos, potencial de recuperación de recursos, y menos requerimiento de equipos.

Las tecnologías costo-efectivas con altas eficiencias de remoción son requeridas para desarrollar tratamientos de aguas con altas cargas orgánicas provenientes de los diferentes procesos industriales ². En la Tabla 1 se puede apreciar diferentes sistemas de tratamiento y su enficiencia para tratar diferentes tipos de agua residual.

Tabla1. Eficiencia de diferentes plantas de tratamiento biológico para varios tipos de agua residual industrial.

Nota: UASB (RAFA)= upflow anaerobic sludge bed, CSTR= continuously stirred tank reactor, AS= activated sludge, RBC= rotating biological contactors, SBR= sequencing batch reactor, AFFFBR (FAFA): anaerobic fixed film bed reactor, PTA= purified terephthalic acid, PNP= para-nitro phenol. Adaptado de Asadi et al. (2013).

Tecnología de Tratamiento Biológico Convencional:

Sistemas Lagunares: lagunas anaerobias y aerobias.

Los sistemas lagunares son utilizados para tratar aguas residuales municipales, así como aguas de procesos industriales con altas cargas contaminantes. Fueron sistemas muy utilizados previo al desarrollo de tecnologías más avanzadas, y que en la actualidad, aun presentan ventajas frente a otros sistemas, pricipalmente en zonas rurales y apartadas. Pueden trabajar con cargas bajas de DQO como 100 mg/L hasta 5,000 mg/L dando eficiencias arriba del 90% con tiempos de retención total entre 4 a 20 días. ²

Según su relación largo/ancho y profundidad, las lagunas pueden ser orientadas a desarrollar ambientes anaerobios, aerobios, o facultativos (microorganismos que pueden estar en ambientes tanto anaerobios como aerobios).

Las lagunas anaerobias se logran manejando secciones pequeñas con relaciones largo/ancho bajas y profundidad >4m, de manera que el efecto de la aireación superficial debido a las corrientes de viento, así como la penetración de la luz solar, no alcance el estrato mas bajo de la laguna, en donde se formará un ambiente eminentemente anaerobio. Las lagunas anaerobias pueden trabajar descubiertas, sin embargo, en ocasiones son cubiertas con geomembranas para evitar los efectos adversos anteriores, y principalmente para la captura del biogás formado debido al metabolismo anaerobio y que es aprovechable energéticamente. ⁴

Las lagunas aerobias se logran manejando relaciones largo/ancho mas altas, y por lo tanto menor profundidad <2m, por lo regular 1.5m, lo que permite que la luz solar penetre todo el tirante de agua para promover el crecimiento de algas, quienes a su vez, a través de la fotosíntesis liberan oxígeno al agua, creando así el mecanismo aerobio de tratamiento ⁴. De igual manera, las lagunas aerobias pueden ser equipadas con equipos de aireación para suministrar de forma mecánica el oxígeno al agua, esto mejora la eficiencia de la laguna, pero a su vez representa el costo operativo del consumo de energía eléctrica. Sin embargo, para lugares donde la radiación solar es mínima, la aireación mecánica provee una vía alterna del suministro de oxígeno requerido por las lagunas aerobias.

Las lagunas facultativas, presentan tanto una parte aerobia y otra anaerobia dentro de la misma laguna. Se configuran por lo regular con profundidad de 3m para fomentar en la parte superior de la laguna un ambiente aerobio, y en la parte inferior un ambiente anaerobio ⁴. En un sistema lagunar, por lo regular se inicia con una laguna anaerobia, seguida por una facultativa o una aerobia, o ambas en serie, según sean los objetivos de tratamiento. Otra configuración lagunar típica, es iniciar con una laguna facultativa seguida por una aerobia. La configuración final dependerá de las cargas iniciales y objetivos de tratamiento.

Filtro percolador

Un filtro percolador es una unidad de tratamiento secundario, dotada de un medio de soporte (natural o sintético) para fijación de bacterias (formación de biofilm), lo que lo constituye en un filtro biológico. El agua residual, proveniente de un tratamiento primario, es distribuida en la parte superior del filtro para que esta percole a través de todo el biofilm formado y fijado en el medio de soporte, y sea recolectada en la parte inferior del filtro para ser conducida a su siguiente etapa de tratamiento.

Debido al efecto de percolación, y a la configuración del filtro con ventanas de ventilación, el golpeo del agua en la percolación ayuda a la incorporación de oxígeno en el agua, lo que lo consitituye en un proceso principalmente aerobio, aunque debido al espesor del biofilm, se pueden dar zonas facultativas y anóxicas. En la formación de biofilm se da el crecimiento de una población diversa de bacterias quienes adsorben y descomponen el material orgánico disuelto en el agua residual. Esta unidad debe ser precedida por un sedimentador primario o reactor anaerobio para la retención de material particulado, y debe ser sucedida por un clarificador para reterner biofilm que se desprende por la operación natural del filtro.

Humedales

Los humedales naturales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener aguas con profundidades inferiores a 60 cm con plantas emergentes como espadañas, carrizos, juncos y tul. La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas, facilita la filtración y la adsorción de los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de luz solar. Por lo anterior, los humedales proveen sumideros efectivos de nutrientes y sitios amortiguadores para contaminantes orgánicos e inorgánicos, a través de la sedimentación, absorción, metabolismo bacterial y su interactuar con la atmósfera (Miranda, 2012). ⁵

Los humedales artificiales tienen la finalidad de reproducir las características de los humedales naturales, los cuales poseen un gran potencial depurador para el tratamiento de aguas residuales. Estos pueden ser de superficie libre de agua, es decir, con espejo de agua; o de flujo sub-superficial sin espejo de agua. Se han utilizado en el tratamiento de aguas residuales municipales, para tratamiento secundario y avanzado, en el tratamiento de aguas de irrigación, para tratar lixiviados de rellenos sanitarios, en el tratamiento de residuos de tanques sépticos y para otros propósitos como desarrollar hábitats para crecimiento de valor ambiental ⁵. Entre otras ventajas están que, con correcta operación, no presentan problemas de vectores, no requiere equipo mecánico para su operación, puede ser ornamental.

Tratamiento Biológico Anaerobio

Debido al metabolismo de los microorganismos que llevan a cabo la digestión anaerobia, este proceso no requiere de oxígeno para que se lleve a cabo la degradación de la materia orgánica, lo que le da la ventaja de no necesitar energía eléctrica para su funcionamiento. Así mismo, una particularidad de este metabolismo, es que la mayoría de materia orgánica es transformada a biogás, lo que resulta en una menor producción de lodos para disposición final. El metano contenido en el biogás, es un biocombustible gaseoso, con alto potencial energético susceptible de ser aprovechado a través de su poder calorífico o para generar energía eléctrica.

El mecanismo biológico de digestión anaerobia es comúnmente tecnificado de diferentes formas, según el tipo de agua residual y el objetivo de tratamiento final, así como el rol que juega la etapa anaeróbica dentro del conjunto de un sistema mayor. Algunas de sus modalidades se verán a continuación.

UASB

Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente -RAFA- (Upflow Anaerobic Sludge Bed -UASB-, por sus siglas en inglés), consiste en conducir de forma ascendente, el flujo de agua residual desde la base de un contenedor (reactor) hasta la superficie. Este reactor tiene la característica de que en la parte media baja, se formará una capa densa de lodo con actividad biológica, por lo que en operación regular, el flujo ascendente que parte de la base del reactor hacia su superficie, deberá atravesar dicha capa de lodo granulado con alta actividad biológica.

Las bacterias que han poblado la capa densa de lodos, formando lodo granulado (1-4mm de diámetro), tomaran del flujo ascendente de agua residual, el material orgánico e inorgánico disuelto, para alimento y nutrientes (funcionamiento metabólico) y reproducirse, reduciendo así la concentración de contaminantes orgánicos e inorgánicos en el agua, lo que proporciona un efluente con menor concentración de dichos contaminantes a la salida del reactor. Debido a la actividad biológica, la materia orgánica que pasa por la capa de lodo, y el mismo lodo, son transformados a biogás producto del metabolismo anaerobio, dando como resultado bajos volúmenes de producción de lodos.

La diferencia de la concentración entre el ingreso y salida de dichos contaminantes, determinará la eficiencia del sistema, y que a su vez depende de parámetros operativos como la temperatura y pH principalmente. Por lo regular, los reactores UASB han reportado remociones arriba del 60% de DQO para diferentes tipos de agua residual, sin embargo, al trabajar como única unidad de tratamiento en un sistema, su efluente no llega a cumplir los estándares para la descarga de aguas residuales a cuerpos de agua. ¹

EGSB

La modalidad del reactor anaerobio de flujo ascendente RAFA en lecho expandido (Expanded Granular Sludge Bed -EGSB-, por sus siglas en inglés), ha sido desarrollado principalmente para mejorar el contacto del agua residual con la biomasa activa y por lo tanto, mejor tasa de transferencia de masa. Esto se logra por medio de expandir la altura del estrato de lodo granular activo, para lo que se reduce la sección del reactor (relación alto/diámetro >20) para aumentar la velocidad del flujo ascendente (>4m/h), lo que mejora la mezcla y contacto entre el agua residual y el lodo granular activo, y por lo tanto presenta mejores eficiencias y estabilidad que el UASB. Así mismo, debido a su relación alto/diámetro, resultan reactores mas esbeltos y altos que un UASB, y por lo tanto requieren menor espacio para su instalación. ¹

Nota: Reactor EGSB. Imagen tomada de pulpandpaper-technology.com

Sin embargo, entre sus desventajas se puede mencionar que prácticamente se limita su uso para aguas con cargas contaminantes donde sus constituyentes están principalmente en forma disuelta, ya que cuando se presentan sólidos suspendidos y coloides en mayor proporción a la materia disuelta, debido a las velocidades ascensionales con las que trabaja este reactor, ocurre un arrastre significativo de material particulado, y por lo tanto, su consecuente reducción de eficiencia.

En un estudio realizado por Zang 2008 ¹, reportó la aplicación de un sistema EGSB para una alta carga orgánica con una DQO inicial de 80,000 mg/L, dando como resultado el 91% de eficiencia en remoción con 48 horas de tiempo de retención hidráulico. Así mismo, Ueda 2000 ¹, reportó para aguas producto del proceso de aceite de palma -POME- (Palm Oil Mill Effluent), una reducción total de 95.6% en DQO con una carga orgánica volumétrica (ORL) de 10 kg DQO/m3 al día utilizando un sistema híbrido de la forma EGSB-IFAS. Reactores EGSB han sido también implementados de forma efectiva para cargas orgánicas volumétricas arriba de 20kg DQO/m3 al día.

FAFA

El filtro anaerobio de flujo ascendente FAFA (Upflow Anaerobic Bed Filter -UABF-, por sus siglas en inglés) es una combinación de la tecnología UASB con un medio de soporte. Esta modalidad de reactor anaerobio, permite mejorar algunas desventajas del UASB como el problema de pérdida de biomasa por arrastre, debido a que parte de la biomasa se fija al material de soporte. Así mismo, se mejora la uniformidad del flujo ascendente, ya que el medio de soporte a través de todos sus insterticios, proporciona una sección con pasos mejor distribuidos, y que a diferencia con el UASB, este ocasionalmente pierde uniformidad debido a las diferentes densidades que se pueden dar en las distintas secciones del lecho de lodo granular activo.

Tratamiento Biológico Aerobio

Lodos Activados (LA): lecho fluidizado en suspensión (-CSTR-, Continuous Stirred Tank Reactor)

La tecnología de lodos activados (LA) fue desarrollada a inicios del siglo XX y significó un avance significativo en el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales. Consiste en una suspension de comunidad de bacterias activas (lodos activados), que reciben oxigenación y mezcla completa a través de  aireación mecánica. A esta suspensión de lodo activo en mezcla completa se le conoce como “Licor Mixto”, y es el producto de una coagulación y floculación biológica que se forma debido al crecimiento de los microorganismos. El agua residual, cuando ingresa al sistema, entra en contacto con el licor mixto (población de bacterias activas) quienes extraen del agua la materia orgánica e inorgánica para su alimento y nutrientes, provocando así depuración del agua. Los flóculos son separados del agua en una unidad posterior conocida como sedimentador secundario o clarificador.

El CSTR es la modalidad más utilizada de LA. Pueden alcanzar altas eficiencias, tienen flexibilidad en cuanto a los parámetros operativos, y además, pueden llevar a cabo la remoción de nutrientes (nitrificación y desnitrificación). Estos sistemas, requieren de equipos mecanizados para su funcionamiento, principalmente en el suministro de aire, y por lo tanto, el costo operacional de dichos equipos es un adicional para estos sistemas. Entre sus desventajas se encuentran, sus costos operacionales, operación con mayor nivel de sofisticación que los sistemas anaerobios u otras tecnologías convencionales, y debido a que tienen elevada producción de lodos, los costos por su manejo y disposición son mayores.

MBBR

Un sistema MBBR (Mobile Bed BioReactor), es una modalidad de LA, en la cual se suministra a la mezcla completa, un medio de soporte cononocido como portadores biológicos (carriers), cuyo fin es suministrar una superficie de contacto móvil, en la cual se fijan y desarrollan las comunidades bacterianas creando una biopelicula (biofilm) a lo largo de la superficie de los carriers.

Nota: diferentes tipos de carrier (porador biológico).

Entre las ventajas están, debido a la formación del biofilm, hay mayor diversidad de bacterias, aumento de la concentración de bacterias en un menor volumen de agua, y por lo tanto, menores tiempos de retención que resulta en reactores mas pequeños, y con menor producción de lodo. Algunas desventajas son, el complejo control del espesor del biofilm, y por lo tanto, la colmatación de los carriers biológicos reduce el área de contacto de los mismos, lo que reduce la mayoría de las ventajas mencionadas, así mismo, estos carriers son de difícil limpieza debido a sus intrincados diseños y formas.

Nota: carriers colmatados de biofilm.

IFAS

El sistema de LA en modalidad de película fija IFAS (Integranted Fixed Film Activated Sludge), al igual que el MBBR, ofrece una superficie para fijación de colonias bacterianas, sin embargo el mecanismo que ofrece la disponibilidad de superficie en un sistema IFAS es fijo a diferencia del MBBR que es móvil, y es precisamente en esta carácterística que residen las principales diferencias para con las otras modalidades de lodos activados y sus oportunidades de aplicación.

Nota: Módulos de película fija. Imagen tomada de jagergroup.com

Al estar las comunidades bacterianas fijadas a un medio fijo (película fija o fixed film) ofrece la ventaja para el desarrollo de colonias bacterianas con mayor diversidad, y por lo tanto esto le brinda mayor resistencia frente a variación de las condiciones operativas como temperatura, pH y concentración de algunos compuestos tóxicos, mejora la tasa de reproducción celular, y por lo tanto, la tasa de utilización de sustrato. Esta última característica es propia de la película fija, debido a la concentración local que sucede de nutrientes y enzimas a nivel extra celular al rededor de las bacterias que conforman la población bacteriana fija. En un estudio ¹, se reportó para un sistema IFAS, remoción del 92% de DQO a una OLR de 0.39 kg DQO/m3 al día para aguas provenientes del proceso de de sacrificio y faenado de cerdos.

SBR

Un Reactor Secuencial por Lotes -SBR- (Secuential Batch Reactor), es una modalidad de la tecnología de LA que permite flexibilidad en cuanto a la variabilidad con la que se producen los flujos de agua residual a tratar, ya que su modalidad consiste en tratar por lotes o etapas (batch) el agua residual. Una aplicación útil para esta modalidad, son las industrias que generan sus aguas residuales en ciclos de producción semanal, o cada cierto conjunto de días. Presenta las mismas ventajas y desventajas de los lodos activados, pero para esta modalidad, se puede resaltar otras ventajas como que; reduce la necesidad de interacción del operador y permite en el mismo reactor tener condiciones aerobias y anóxicas, y la clarificación, por lo tanto requiere menor espacio que otras modalidades de LA.

MBR y AnMBR

La tecnología de membranas (Membrane BioReactor) combina las membranas de filtración con los procesos de degradación biológica, ya sean un reactor aerobio de LA (MBR) o reactor anaerobio (AnMBR), donde se mejora la eficiencia en separación de la fracción sólida (floculos biológicos) de la fracción líquida, ya que esta ocurre a través de filtración, tomando la función de la etapa de clarificador. En un sistema MBR o AnMBR, todo el material con mayor diámetro que el poro de la membrana definido (micro, ultra o nano filtración), sea material sólido orgánico, inorgánico y microorganismos, será retenido, proveyendo así, un efluente de agua tratada de alta calidad y con un buen grado de desinfección física. ⁶

Entre otras ventajas que ofrece un sistema MBR, es que se mantiene constante y en incremento la concentración de enzimas que hidrolizan los  compuestos orgánicos suspendidos (mejora la velocidad de biodegradación), que regularmente se pierden en la clarificación convencional debido al trasvase y reciruclación del lodo activo, que hace un comportamiento itinerante de dicha concentración enzimática.

Entre las desventajas que se pueden mencionar, es el costo de inversión de los paquetes de membranas, los costos operativos asociados a su regeneración, se aumenta el consumo de energía debido a la pérdida de carga de las membranas, en caso no haya efectivo pretratamiento para remoción de materiales grandes, estos pueden alcanzar y lastimar las membranas con costos de reposición asociados. Ahn et al. 2007 ¹ reportó la remoción del 99% de DQO para el tratamiento de aguas con alta carga entre rangos de 6,000-14,500 mg/L utilizando un sistema híbrido FAFA-MBR con un tiempo de retención de 24 horas.

Tratamiento Fisicoquímico

La forma más conocida de tratamiento fisicoquímico consiste en proceso de dos etapas conocido como coagulación-floculación, con el que se puede remover la mayoria de materia coloidal en el agua. En un tratamiento fisicoquímico, los coloides son uniformemente cubiertos por una carga negativa a través de la adición de un coagulante adecuado. Dicha desestabilización de cargas causa atracción magnética entre los coloides; por lo que acto inmediato, se induce un mecanismo ya sea hidráulico o químico para provocar que los colides desestabilizados se junten formando flóculos mas grandes y densos entre ellos ⁷.

El mecanismo de floculación puede ser hidráulico, en donde se controla la velocidad del flujo en una canal o conducto que varía de sección a lo largo de su trayecto para causar cambios de gradiente de velocidad de mayor a menor, donde dichos cambios de velocidad ayudan a la formación del flóculo. Otro mecanismo es la adición de polímeros de cadena ramificada como floculante que funciona como una malla para capturar los coloides y formar los flóculos. La dosis de coagulante, así como su tipo (aniónico o catiónico), y el pH óptimo, debe ser determinado a través de una prueba de jarras.

Los sistemas de tratamiento fisicoquímico, necesitan la aplicación de un coagulante y un polímero floculante, donde los coagulantes son regularmente sales inorgánicas, como sales de hierro y aluminio, y los floculantes, polímeros orgánicos sintéticos o naturales ⁷.

De forma similar, la coagulación se puede llevar a cabo con aplicación de cargas eléctricas, proceso conocido como electrocoagulación (EC), en donde un electrodo (ánodo y cátodo) hacen la función de la sal inorgánica (aniónica o catiónica), creando la desestabilización de cargas en los coloides para su posterior floculación. En la Tabla 2 se pueden observar eficiencas de sistemas de tratamiento fisicoquímico y su eficiencia para diferentes coagulantes químicos. De igual manera, en la Tabla 3 se observan eficiencias de tratamiento fisicoquímico con electrocoagulación y diferentes electrodos.

Tabla 2. Eficiencias de remoción para diferentes tratamientos fisicoquímicos y coagulantes.

Nota: PAM= polyacrilamidas. Tomada y adaptada ⁷.

Tabla 3. Eficiencia de remoción para diferentes aguas utilizando electrocoagulación.

Nota: tomado y adaptado ⁷

Luego de darse la coagulación y floculación por alguna de las vías mencionadas, el agua con los flóculos formados es trasladada a una unidad para hacer la separación sólido-líquido, que puede ser una unidad que trabaje a través de sedimentación o flotación.

En el caso de la sedimentación, se configuran tanques que regulen el régimen hidráulico del agua; para permitir la precipitación de los flóculos en el fondo del tanque, cuya forma es comúnmente un fondo cónico para la concentración del lodo y su posterior evacuación. La otra vía para separar las fracciones sólido-líquido es por flotación, en donde, con el uso de equipos mecánicos, se satura de aire una fracción de agua tratada para luego ser mezclada con el agua que ingresa a la unidad de flotación, dicha mezcla ocasiona que las microburbujas de aire se adhiedan a los flóculos haciendolos flotar a la superficie.

La unidad por excelencia para separar por flotación es el DAF (dissolved air flotation). Estas unidades han sido innovadoramente desarrolladas por diferentes marcas para hacer el trabajo anteriormente descrito, y adicional, suministran mecanismos automáticos para la remoción del lodo flotante que se acumula en la superficie, y para remover el lodo que innevitablemente se acumulará en el fondo debido a que hay flóculos grandes y densos que no logran flotar.

Nota: unidad DAF. Tomado de huber-technology.com

Sistemas Híbridos: combinación de tecnologías.

El propósito de combinar tecnologías es aprovechar las ventajas que ambas tienen por sí mismas, y reducir las desventajas que podría presentar el sistema general cuando se depende de un único mecanismo de tratamiento. Una de las combinaciones más comúnmente utilizadas es un UASB seguido por un CSTR, en donde el UASB lleva a cabo un pre-tratamiento, reduciendo alrededor de 60% la DBO particulada principalmente, lo que permite que el CSTR reciba menor carga orgánica y por consecuencia, su sistema de aireación demandará menos energía eléctrica. Así mismo, un punto débil de los CSTR es la producción de lodos y sus costos de diposición, pero en estos sistemas híbridos, el lodo generado en el CSTR es conducido al UASB, en donde es espesado, estabilizado, y su volumen se reduce significativamente para producción de biogás. Esta tecnología híbrida ha reportado remociones de DQO entre 83% a 98% de eficiencia, con concentraciones de entrada de entre 500-20,000 mg/L, y tiempos de retención de 11 horas hasta 6 días ¹.

Otra combinación comúnmente utilizada, principalmente cuando las concentraciones alcanzan niveles de DQO por encima de los 10,000 mg/L, es implementar un tratamiento primario, ya sea por sedimentación primaria, o un tratamiento primario avanzado con coagulación-floculación (tratamiento fisicoquímico) y separación por flotación (DAF), y posteriormente el agua es conducida al sistema UASB-CSTR. El tratamiento primario, convencional o avanzado, permitirá que tanto las unidades UASB y CSTR tengan menor volumen, y por lo tanto, se reduce los costos de inversión, y de operación y mantenimiento de los mismos.

Tratamientos de Pulimiento para Reuso

Técnicas Especiales de Tratamiento.

Estas técnicas especiales, generalmente se implementan cuando hay objetivos de recuperación de ciertos elementos dentro del agua a tratar, o para recuperar la misma agua hasta una calidad que permita su reuso según la aplicación deseada. El alcance y diversidad de estas técnias es sumamente amplio, por lo que a continuación se desarrollaran solamente una muestra de ellas; con la finalidad de ilustrar la amplitud y alcance de técnicas disponibles.

Electrodiálisis para Recuperación de Nutrientes en Aguas Residuales

Inicialmente, los procesos de tratamiento de aguas residuales estaban orientados fundamentalmente a cumplir la regulación de las entidades de protección ambiental. Bajo este esquema, la remoción de nutrientes, principalmente el nitrógeno, estaba basado en disminuir la concentración de este en el agua tratada, evacuando el nitrogeno a la atmósfera y en el lodo de desecho.

La forma mas tradicional de remover el nitrógeno en plantas de tratamiento, ha sido a través del proceso de lodos activados con nitrificación y desnitrificación, en donde el nitrógeno orgánico y el amonio (NH4+), principales formas de nitrógeno en el agua cruda, son nitrificados a nitrato (NO3-), y finalmente desnitrificado a nitrógeno gas (N2), liberandolo a la atmósfera, lo que genera una contaminación secundaria en el aire ⁸.

En la actualidad, los efluentes de aguas residuales ya son percibidos como una fuente importante de recursos como energía, agua, nutrientes, entre otras materias primas que puedan contener, según el proceso que las haya generado. Lo anterior, en conjunto con el incremento del estrés causado a los recursos naturales por la industria de fertilizantes (Mehta, 2015) ⁸ para la obtención de los mismos a causa de la creciente demanda global de agua y alimentos, ha obligado a la investigación y desarrollo de diversas tecnologías para la recuperación de nutrientes de las aguas residuales.

La electrodiálisis (ED) ha sido principalmente estudiada y desarrollada para procesos de desalinización y remoción de minerales del agua. Sin embargo, la electrodiálisis implementada para la recuperación de nutrientes de las aguas residuales es diferente a la ED para desalinización, y ha surgido como alternativa a otras tecnologías de recuperación de nutrientes como la precipitación química, tecnología de membranas, remoción biológica de fósforo (-EBPR-, enhanced biological phosphorus removal), adsorción, membranas permeables a gases, proceso Haber-Bosch, entre otros.

La inversión y costos operativos de las tecnologías anteriores suelen ser elevados, por lo que el potencial de la ED por hacer la recuperación de nutrientes a costo mas bajo ha recibido mayor atención e importancia en su investigación y desarrollo. En estudios ya realizados, ha reflejado en cuanto a recuperación de nitrógeno, menores consumos de energía, menor necesidad de pretratamiento, mayor tasa de recuperación de agua tratada, y bajo consumo de insumos químicos.

Aprender más sobre el funcionamiento de la ED.

Utilización de membranas. Tipos y aplicaciones.

El desarrollo de tecnologías para el reuso de aguas ha tomado auge en las útimas décadas debido a las políticas y regulaciones globales para la conservación de los recursos naturales, que hacen que el uso del agua, este cada vez mejor regulado, lo que conlleva costos asociados para quienes hacen uso de este vital recurso.

Una de estas tecnologías son las membranas para filtración a diferentes tamaños de partículas y afinidad iónica, que han demostrado la eficiencia requerida para poder hacer el reuso de las aguas residuales tratadas de forma segura. Las membranas tienen el potencial de remover diferentes tipos de contaminantes que no pueden ser removidos por los métodos convencionales.

Por ejemplo, las membranas de adsorción, tienen el doble mecanismo de remoción, el mecanismo físico de la filtración, y adicionalmente, una afinidad iónica para adsorción de aniones o cationes, según sea el tipo de contaminantes que se desea retirar del agua. Una combinación de paquetes de membranas que incluyan tanto membranas aniónicas como catiónicas permiten además, ayudar a combatir uno de los principales puntos débiles de las membranas, el factor de ensuciamiento (fouling), y por lo tanto, favorece además, los costos del proceso de limpieza, capacidad de adsorción y los costos de regeneración de dicha capacidad, mejora la permeabilidad de los iones afines, y mejora el rendimiento de recuperación del agua.

Actualmente, el desarrollo de membranas es un campo que concentra diversos estudios para mejorar el costo beneficio, encontrando formas menos costosas de frabricación, así como presentar mayor diversidad en tipos de afinidad iónica y clasificación según el adsorberte utilizado en la mezcla de polímeros para su fabricación ⁹.

Membranas para Aguas con Aceites

Otro de los problemas que enfrentan los ecosistemas en cuanto a contaminación ambiental, es debido a las aguas con aceites e hidrocarburos que producen las industrias de dicho sector, como las refinerías y las de aceite de palma, principalmente en países donde la regulación ambiental es baja.

Los retos para la tecnología de membranas, frente a este tipo de aguas con aceites y grasas, se centra en desarrollar mezclas poliméricas, cerámicas y amalgamas metálicas, y su comportamiento en la superficie, estructura e hidrodinámica del material de la membrana, que permitan mejorar su rendimiento frente a la colmatación que los aceites producen en la superficie de la membrana. Básicamente se busca mejorar su eficiencia en cuanto a su factor de ensuciamiento ¹⁰.

Fitoremediación

La técnica de fitoremediación es una rama de la bioremediación que utiliza plantas, algas y microalgas, para la depuración del agua residual. Su aplicación en tratamiento de aguas residuales no es un concepto nuevo, ya que, desde hace décadas, se han realizado diversos estudios en países como: Estados Unidos, España, Alemania, India, Inglaterra, Egipto y Corea del Sur, y a nivel de América Latina, en México, Colombia y Venezuela ¹¹. Estos estudios han tenido resultados bastante alentadores en cuanto al nivel de absorción de nutrientes, habiéndose identificado que, por ejemplo, las algas clorofitas tienen una capacidad muy buena de absorción de nitrógeno y fósforo (Sriram y Seenivasan, 2012) ¹¹.

Plantas

Las plantas acuáticas tienen la capacidad de absorber contaminantes orgánicos e inorgánicos, metales pesados, y otros compuestos contaminantes presentes en la agroindustria, aguas ordinarias, y otros procesos industriales. Entre las plantas acuáticas, Salvinia molesta y Pistia stratiotes han sido ampliamente utilizadas para el tratamiento de dichas aguas. Su amplia aplicación es debido a su disponibilidad, resiliencia a ambientes tóxicos, potencial de bioacumulación, su potencial de biomasa, entre otros ¹².

Microalgas

Las especies de microalgas investigadas para el tratamiento de aguas residuales son diversas. Por ejemplo, la utilización de especies de algas clorofitas no solo son de interés en el tema de aguas residuales, ya que su mayor avance investigativo se ha centrado en el aprovechamiento de la biomasa que puede generarse de esta especie para procesos alimenticios, extracción de compuestos químicos y pigmentos, y como biocombustible y métodos de captura de CO2 (Smith, 2012) ¹¹.

Dentro de las especies de algas clorofitas que se han investigado para reducir los nutrientes en aguas residuales, se pueden mencionar la Chlorella sp., Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris y Scenedesmus. A nivel industrial, las algas clorofitas se han utilizado para la recuperación de metales como oro y plata (Redalje, et al., 1989) ¹¹, así como para el tratamiento de los efluentes industriales, aprovechando su capacidad de acumular importantes concentraciones de compuestos tóxicos (Salazar González, 2009) ¹¹.

El uso de algas clorofitas en el tratamiento de aguas residuales con miras a remover nutrientes podría ser un proceso que busque mejorar los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales (Cho, Luong, Lee, Oh y Lee 2011) ¹¹, sin embargo, la utilización de reactores que utilicen la fitorremediación con algas clorofitas con el doble propósito de remover nutrientes y de contribuir a reducir los procesos de eutrofización en recursos hídricos aún es una materia incipiente ¹¹.

Tratamiento Fisicoquímico con Residuos de la Industria Cementera (CKD) como Coagulante.

La industria cementera, como producto de su proceso de producción de cemento, genera un residuo conocido como el polvo de horno de cemento (Cement kiln dust -CKD-, por sus siglas en inglés). En un estudio ¹³ realizado para emplear el CKD como coagulante para el tratamiento fisicoquímico de aguas residuales, se analizaron las características fisicoquímicas del agua antes y después del tratamiento, y luego se determinó el potencial del CKD como coagulante según la eficiencia de remoción del proceso. A través de pruebas de jarras, se determinó las condiciones óptimas para su uso en el tratamiento, siendo dichas condiciones para un pH de 8.1, dosis de 1.9g, tamaño de partícula de 0.1mm, tiempo de contacto de 30 minutos a 150rpm. Las eficiencias alcanzadas se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Comparación de eficiencia en tratamiento fisicoquímico con CKD y sales de aluminio.

Nota: CKD= cement kiln dust. Adaptado de Hasaballah et al. (2021).

Según los datos de la Tabla 4, las eficiencias comparadas con coagulantes comúnmente utilizados a base de sales de aluminio, demuestran que el CKD puede ser utilizado como una alternativa de coagulante para el tratamiento fisicoquímico de aguas residuales de carga baja y moderada, lo que al mismo tiempo es una disposición final para este tipo de desecho que genera la industria cementera ¹³.

Conclusión

Diferentes tipos de tecnologías han sido desarrolladas y efectivamente aplicadas, de forma independiente o en conjunto con otra tecnología para mejorar el rendimiento conjunto del sistema de tratamiento de aguas residuales. Queda claro, que las diferentes tecnologías proveen una diversidad de aplicaciones, en donde el estudio detallado de los constituyentes del agua residual y el comportamiento de su generación, dan los lineamientos para la correcta selección de tecnología o combinación de ellas.

Si deseas para aprender más sobre alguna tecnología en específico, puedes consultarnos a este correo: id@aguilar.engineering

Referencias

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2. Asif, Muhammad H, Touqeer M, Usman M, Zahid M. Wastewater Treatment by Biological Processes. 2017;11:5-19. www.iscientific.org/Journal.html.
3. Asadi A, Zinatizadeh AAL, Sumathi S, Rezaie N, Kiani S. A comparative study on performance of two aerobic sequencing batch reactors with flocculated and granulated sludge treating an industrial estate wastewater: Process analysis and modeling. Int J Eng Trans B Appl. 2013;26(2):105-116. doi:10.5829/idosi.ije.2013.26.02b.01
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