Tratamiento de Aguas Residuales y Gestión de Residuos: Procesos y Tecnologías

Tratamiento Previo de Aguas Residuales

Definición: El tratamiento previo consiste en la eliminación de elementos gruesos, grasas, arenas y partículas discretas presentes en las aguas residuales. Estos componentes pueden interferir con el tratamiento completo y el correcto funcionamiento de los equipos e instalaciones. Mediante este proceso, la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) puede reducirse en un 30-40%.

Los tratamientos principales son:

• Aliviaderos: Su función es evacuar el exceso de caudal, que puede ser derivado a un depósito de retención para su posterior reutilización en la planta. El agua de lluvia de los primeros 10-15 minutos suele estar contaminada, por lo que se utilizan depósitos de retención para su almacenamiento antes de reintroducirla en la planta.
• Desbaste, Rejas y Tamices: Su objetivo es retener y separar los cuerpos voluminosos flotantes y en suspensión. Esto evita depósitos posteriores, obstrucciones en canales y tuberías, aumenta la eficacia de los tratamientos posteriores y reduce el consumo de oxígeno en la depuradora. Es un tratamiento indispensable. Las rejas (10-12 cm) se clasifican según su inclinación, la separación entre barras y el sistema de limpieza. Los tamices (10^-3-5 cm) son una alternativa a las rejas.
• Desarenado: Su objetivo es reducir la cantidad de sólidos en suspensión (arenas y arcillas). La retirada se realiza en depósitos donde se reduce la velocidad del agua (aumentando la sección de paso) por debajo del límite de precipitación de los granos de arena, pero por encima del límite de sedimentación de la materia orgánica (MO).

Coagulación y Floculación

Pregunta: ¿La coagulación y la floculación se pueden dar en la misma etapa?

Respuesta: Sí, es posible, pero presenta desafíos. Aunque ambos procesos se utilizan para la eliminación de coloides, la adición de productos químicos puede ser costosa. Los coloides, provenientes de jabones o sulfatos, ven afectadas sus propiedades (conductividad iónica, turbidez, DQO y DBO) al coagular o flocular. La DBO se utiliza como medida indirecta de la contaminación, por lo que estos parámetros reflejan indirectamente la cantidad de jabón en el agua.

Flotación

La flotación es el proceso opuesto a la coagulación. En este caso, se reduce la densidad del contaminante para que flote, permitiendo su eliminación mediante el rascado de la superficie del agua.

La reducción de la densidad se logra introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en el agua. Estas burbujas se adhieren a las partículas coloidales, haciéndolas flotar. Este método es más rápido y eficiente para partículas pequeñas o ligeras, cuya sedimentación es lenta.

Existen diferentes métodos para inducir la formación de burbujas:

• Flotación por aire disuelto: Se inyecta aire mientras el líquido está bajo presión, y luego se libera la presión. Es el método más utilizado.
• Flotación por aireación: Similar al anterior, pero con mayor presión.
• Flotación por vacío: Se somete el líquido a vacío.

Dentro de la flotación por aire disuelto, se distinguen dos configuraciones: flujo total y recirculación.

En ambos casos, se pueden utilizar reactivos, a menudo coagulantes, para mejorar el contacto entre las burbujas y las partículas.

Tratamiento Terciario o Avanzado: Gestión de la Materia Orgánica (MO) No Biodegradable

Adsorción sobre Carbón Activado

La adsorción sobre carbón activado es un método no destructivo que consiste en retener la especie molecular o iónica (adsorbato) sobre la superficie de un sólido (adsorbente) mediante interacciones fisicoquímicas.

El carbón activado se produce a partir de materiales carbonosos tratados para obtener una elevada superficie específica (500-1000 m²/g). La activación puede ser térmica (vapor de agua a 800-950°C) o química (H₃PO₄, KOH, ZnCl₂ a 500°C).

La capacidad de adsorción depende de:

• La porosidad (microporosidad o mesoporosidad).
• La naturaleza, tamaño y concentración de las sustancias a adsorber.
• El tiempo de contacto, la temperatura y el pH.

Existen dos procesos principales de adsorción:

• PACT (Powdered Activated Carbon Treatment): Se utiliza polvo de carbón activo en la etapa de coagulación-floculación. El carbón se separa en la sedimentación y se regenera. Reduce la necesidad de estaciones adicionales y elimina tanto la materia orgánica biodegradable (MOb) como la no biodegradable (MOnb). Mejora la sedimentación de los contaminantes y puede generar una biopelícula sobre la superficie del carbón.
• GAC (Granular Activated Carbon): Se utilizan columnas de carbón activado granular.

Oxidación Química

La oxidación química es un método destructivo para la eliminación de contaminantes.

• Ozono (O₃): Se genera mediante descarga eléctrica sobre aire comprimido u oxígeno puro. Se descompone rápidamente en el agua. Es un oxidante parcial que genera productos biodegradables.
• Peróxido de hidrógeno (H₂O₂): En presencia de un catalizador y a un pH de aproximadamente 3.5, produce radicales que generan productos biodegradables.
• Oxidación con aire: Tiene una eficacia casi total, pero es costosa debido a las altas temperaturas y presiones requeridas. En aguas residuales con altas cargas de contaminantes, se puede aprovechar el calor liberado en la combustión.

Vertederos de Residuos Sólidos Urbanos (RSU)

Tipos de Vertido

• Vertido libre: Presenta desventajas como la alta presencia de roedores e insectos, riesgo de incendio, olores desagradables y contaminación del agua y el aire.
• Vertido controlado: Gestiona residuos no peligrosos, inertes y peligrosos.

Ventajas y Desventajas del Vertido Controlado

Ventajas:

• Fácil implantación.
• Menor coste de instalación y funcionamiento.
• Capacidad para absorber variaciones en la producción de residuos.
• Posibilidad de reutilizar el terreno al finalizar la vida útil del vertedero.

Desventajas:

• No se aprovechan los recursos o materiales de los residuos.
• Ocupa una gran superficie de terreno.
• El coste de transporte hasta el vertedero es elevado.

El volumen a verter debe ser mínimo y con una composición sin riesgos. Se debe priorizar el reciclaje o la valorización (generación de energía) antes del vertido.

Tipos de Vertederos (Según la Forma de Vertido)

• Trinchera: Se excava el terreno.
• Área o zona: No es posible excavar el terreno.
• Depresión: Se utiliza una depresión del terreno, natural o artificial.

Tipos de Vertederos (Según la Compactación)

• Baja: Cubrimiento diario de residuos con tierra.
• Media: Cubrimiento más periódico. Presencia de insectos, roedores, etc.
• Alta: Residuos tratados con maquinaria pesada. No se cubren los residuos. Presencia de insectos, roedores, olores, etc.

Los residuos se cubren para evitar la dispersión de materiales y la proliferación de roedores.

Procesos y Evolución en un Vertedero

Los principales componentes en un vertedero son:

• Residuos depositados.
• Oxígeno difundido desde la atmósfera.
• Agua proveniente de los residuos y la escorrentía.
• Microorganismos presentes en los residuos.

La mayor parte de un vertedero está compuesta de MOb, aunque también contiene MO antropogénica y compuestos inorgánicos. Los procesos que ocurren dependen de la naturaleza de los residuos, la humedad interna, el pH, la temperatura y la presión. La actividad química y biológica depende del tiempo (t).

El lixiviado se produce por la precipitación, la escorrentía no controlada y la evolución de la MO de los residuos. Su composición cambia con el tiempo, dependiendo de la fase de descomposición, y proporciona información sobre la actividad química y biológica del vertedero. La evacuación de los lixiviados se realiza mediante recirculación al propio vertedero o mediante recogida en balsa y depuración posterior.

Eliminación de Materia Inorgánica (MI) Disuelta

1. De Forma Iónica: Intercambio Iónico

Se sustituyen los iones del agua residual por otros de la resina, intercambiándolos. Se intercambian iones del mismo signo, y el proceso es rápido. Existen resinas catiónicas y aniónicas.

Propiedades de las resinas:

• Alta capacidad de intercambio.
• Regeneración de la resina.
• Resistencia química.
• Selectividad frente a determinados iones.

Aplicaciones:

• Desionización (del agua).
• Reducción de la dureza (ablandamiento).

Ejemplo de aplicación (eliminación de Ca²⁺, Mg²⁺, NO₃^-, PO₄^3-):

1. Se introduce una resina catiónica ácida, que retiene Ca²⁺ y Mg²⁺ y libera H⁺.
2. El agua residual contiene ahora H⁺, NO₃^- y PO₄^3-.
3. Se aplica una resina aniónica básica, que retiene NO₃^- y PO₄^3- y libera OH^-.
4. El agua resultante contiene solo H⁺ y OH^-, que se combinan para formar H₂O.

2. De Forma No Iónica: Membranas

Se utilizan diferentes procesos de separación por membranas:

1. Microfiltración: Separación de partículas a una presión inferior a 5 atm.
2. Ultrafiltración: Separación de partículas a una presión inferior a 10 atm.
3. Nanofiltración: Separación de moléculas orgánicas de bajo peso molecular.
4. Ósmosis inversa: Reversibilidad de la ósmosis natural mediante la aplicación de presiones superiores a la presión osmótica.
5. Electrólisis: El agua residual se somete a un campo eléctrico.

Equipos de Captación de Partículas en Gases

Existen dos mecanismos básicos:

• Separación de la partícula de la corriente de fluido por acción de una fuerza externa que la conduce a una superficie de captación.
• Interposición de un obstáculo a la corriente del fluido. El fluido evita el obstáculo, pero las partículas quedan retenidas.

Factores a considerar en la selección de sistemas de captación:

• Eficacia a alcanzar.
• Características de la partícula.
• Factores económicos.
• Factores técnicos.

2.1. Separadores Mecánicos

a) Cámaras de gravedad: Cámara de expansión donde se reduce la velocidad del gas y las partículas sedimentan por gravedad. Ventajas: simple, barato, bajas pérdidas de carga. Desventajas: baja eficacia, ocupa mucho volumen, la limpieza con agua reduce su aplicación y eficacia.

b) Separadores inerciales: Combinan gravedad y obstáculos. Desventajas: mayor pérdida de carga, más complejo.

c) Ciclones: El gas entra en un tubo helicoidal, las partículas chocan contra las paredes y se adhieren a una tolva de almacenamiento. El gas purificado sale por la parte superior. Ventajas: eficaz para partículas grandes, barato, funciona en condiciones severas de erosión.

2.2. Filtros de Mangas

La filtración se realiza mediante tejidos, papel u otros materiales. Separan partículas pequeñas con alta eficacia y recogen el polvo seco. La capa de polvo (torta) sobre el material filtrante aumenta la eficacia de filtración.

Ventajas:

• Disminuye la pérdida de carga.
• Aumenta la eficacia en partículas pequeñas.
• El sólido se recoge en seco.
• Baja sensibilidad a la variación de carga.

Desventajas:

• Necesita mucho espacio.
• Riesgo de incendio o explosión.
• El material filtrante es sensible a altas temperaturas y requiere materiales especiales.

2.3. Electrofiltros

La separación se basa en la fuerza que un campo eléctrico ejerce sobre partículas cargadas eléctricamente. Se utilizan para grandes caudales de gas, partículas pequeñas y altas eficacias de depuración. Pueden ser tubulares o de placas planas.

Ventajas:

• Altos rendimientos de depuración con partículas pequeñas.
• Tratan altos volúmenes de gases con bajas pérdidas de carga.
• Pueden operar con efluentes calientes.

Desventajas:

• Alto coste de inversión.
• No se adaptan bien a condiciones adversas (humedad, composición).
• Equipos grandes.

Funcionamiento: ionización del gas y las partículas, carga de las partículas, migración a la superficie de captación, limpieza y recogida.

2.4. Lavadores Húmedos (Scrubbers)

Pueden capturar partículas, absorber gases contaminantes y reducir el peligro de fuego o explosión. Se pone en contacto una corriente de gas con un líquido, utilizando métodos de separación como impacto, disolución y condensación.

Tipos de captadores:

• Colector tipo Venturi: Rendimiento del 100% para partículas de 5 µm y del 80% para partículas de 0.5 µm (por inercia).
• Cámara ciclónica: Rendimiento del 80% para partículas mayores de 2.5 µm.

Estrategia Comunitaria para la Gestión de Residuos

Las tres grandes líneas de actuación son:

1. Prevención

Evitar la generación de residuos actuando sobre la producción. Se fomenta el uso de tecnologías limpias y productos que generen menos desechos.

• Aplicación y desarrollo de auditorías medioambientales.
• Implementación de las Mejores Tecnologías Disponibles (MTD), renovadas cada 10 años por Europa, que fomentan la eliminación de residuos.
• Gestión de residuos de envases según la Ley de Envases y Residuos de Envases, responsabilidad de cada empresa.

2. Reutilización y Reciclado

Mejorar el sistema de recogida y selección de residuos.

• Definición de cuándo un residuo deja de serlo y se convierte en material reutilizable.
• Fomento del uso de materiales reciclados (con la posible reticencia del consumidor ante ciertos productos, como envases de plástico reciclado de color oscuro).
• Mejora de las tecnologías en plantas de reciclaje mediante las MTD.

3. Eliminación Segura

Tratamiento adecuado de los residuos no recuperables antes del vertido para reducir el impacto ambiental. Todos los procesos generan residuos.

• Valorización energética de residuos no reciclables ni reutilizables mediante incineración.
• Si no es posible la valorización energética, vertido controlado en depósitos de seguridad.