La tecnología hoy en día puede ayudarnos a resolver diversos problemas, uno de ellos es la contaminación del agua. Para ello, el hombre ha desarrollado diferentes artefactos y dispositivos que realizan una labor muy parecida a la naturaleza en el sentido de limpiar el agua para volverla a consumir y cumplir con su ciclo. Lo primero que revisaremos son los llamados pretratamientos, los cuales consisten básicamente en separar el agua de los materiales sólidos con los cuales ha sido contaminada, sin embargo no siempre son materiales sólidos, pudieran ser metales pesados disueltos en agua, contaminantes orgánicos y biológicos, y no siempre se pueden separar por medios mecánicos debido a que pueden contener otras características de los contaminantes, por esa razón se debe aprender a caracterizar el agua que se quiera depurar. La caracterización te apoyara para saber las cantidades de contaminantes que están presentes en el agua y así determinar la tecnología que deberá utilizar para su saneamiento o depuración.
Para depurar el agua residual existen los llamados pretratamientos, que consisten en la separación de contaminantes sólidos de gran tamaño. El pretratamiento se aplica cuando el agua arrastra residuos (basura en general), la cual se puede ver a simple vista por su tamaño. Los tratamientos primarios son aquellos en donde logra separarse la materia coloidal suspendida en el agua mediante una reacción química y por un mecanismo de separación, ya sea por gravedad o de manera forzada. Los tratamientos secundarios son los tratamientos biológicos que pueden aplicarse con la presencia de oxígeno (aerobio) o sin la presencia de dichos elementos (anaerobios), se utilizan cuando se quiere quitar elementos orgánicos que dañan a la salud humana en la mayoría de los casos. Por último, los tratamientos terciarios como el intercambio iónico se utilizan para quitar todas las impurezas microscópicas del agua y que está sea apta para el consumo humano. Cabe destacar que muchas de las empresas de México no aplican todos los tratamientos debido a que la normatividad exige ciertos límites máximos de contaminantes para descargar a los ríos, lagos y mares el agua que las empresas han utilizado y de ahí, la naturaleza se encargara de terminar el trabajo.
2. 1. 1. Caracterización de aguas residuales.
Se considera agua residual aquella que ya ha sido utilizada en algún proceso o para uso de las necesidades humanas. Estas aguas son descargadas en la red de drenaje de las ciudades; sin embargo, cada país tiene leyes que indican las cantidades máximas de concentración que se permiten para descargar el agua residual. Cuando se habla de tecnologías del agua para su saneamiento o depuración, se refieren, comercialmente a las plantas de tratamiento, el diseño y operación de estas, considera como punto de partida las características físicas, químicas y biológicas del agua a depurar, así como la calidad y uso final que se dará al agua tratada, por ello es importante que consideres antes de proponer alguna tecnología la caracterización del agua.
Características físicas.
Las descargas de aguas residuales contienen una gran cantidad de materiales sólidos que van desde gran tamaño hasta sólidos coloidales. Las principales características físicas se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 1 Características físicas del agua residual.
| Prueba | Abreviatura | Significado del resultado |
| Sólidos totales | ST | Determinan la clase de proceso u operación más apropiada para su tratamiento |
| Sólidos volátiles totales | SVT | |
| Sólidos fijos totales | SFT | |
| Sólidos suspendidos totales | SST | |
| Sólidos suspendidos volátiles | SSV | |
| Sólidos suspendidos fijos | SSF | |
| Sólidos disueltos totales | SDT | Estimar la reutilización potencial del agua residual |
| Sólidos disueltos volátiles | SDV | |
| Sólidos disueltos fijos totales | SDF | |
| Sólidos sedimentables | SSE | Determinar aquellos sólidos que se sedimentan por gravedad en tiempo específico. |
| Turbiedad | UNT | Evaluar la calidad del agua residual tratada. |
| Color | Café claro, gris, negro | Estimar la condición del agua residual (fresca o séptica). |
| Olor | NUO | Determinar si el olor puede ser un problema. |
| Temperatura | ºC o ºF | Importante en el diseño y operación de instalaciones y tratamiento con procesos biológicos. |
| Densidad | Estimar si el efluente tratado es apto para uso agrícola. | |
| Conductividad |
A continuación, se describirán cada uno de los parámetros establecidos en la tabla anterior.
Sólidos.
Constituyen un elemento muy importante a depurar en el agua. Cuando se solicita a un laboratorio químico caracterizar el agua, los datos que se deben esperar son:
· Sólidos totales (ST): se obtienen a partir de la evaporación de una muestra de agua.
· Sólidos suspendidos totales (SST): se determinan a partir de la filtración de una muestra, en este filtrado también están contenidos los sólidos disueltos (SD).
Tanto los ST como los SST y SDT poseen una fracción de sólidos fijos (parte inorgánica) y volátiles (parte inorgánica).
En la siguiente figura se muestra la relación de los sólidos y la forma de caracterizarlos:
Ilustración 1 Relación entre los diferentes tipos de sólidos.
En el esquema anterior apreciaste la caracterización de los sólidos mediante procesos propios de los laboratorios de pruebas. iniciando por el filtrado, siguiendo con la evaporación y, como proceso final, la calcinación. Con estos procesos aplicados los sólidos que están presentes en el agua residual se tiene la intención caracterizarlos.
Turbiedad.
Este parámetro se emplea para indicar la calidad del agua natural y aguas residuales tratadas, tomando como referencia el material residual en suspensión. La medición de la turbiedad se realiza por comparación entre la intensidad de luz dispersa en una muestra y la luz dispersa por un testigo bajo las mismas condiciones.
Color.
El color en las aguas residuales es causado por los sólidos suspendidos, material coloidal y sustancias en solución. El color causado por sólidos suspendidos se llama color aparente, mientras que el color causado por sustancias disueltas y coloidales se denomina color verdadero (Crites y Tchobanoglous, 2000).
Olor.
Una gran cantidad de compuestos orgánicos generan olor al descomponerse en un medio anaerobio. Uno de los compuestos principales que se generan dentro de este proceso es el sulfuro de hidrógeno (olor característico a huevo podrido) otros como los mercaptanos (compuesto químico formado por un átomo de azufre y otro átomo de hidrógeno, unido a un elemento de mercurio), los cuales también pueden generar malos olores.
Temperatura.
Las descargas de agua residual domésticas o industriales a altas temperaturas (mayores a 25ºC), tienen un efecto adverso sobre los cuerpos receptores, de manera inmediata disminuye la concentración de oxígeno, dado que a altas temperaturas la solubilidad del oxígeno disminuye, y por otra parte las velocidades de reacción se verán modificadas.
Densidad.
La densidad se define como la masa por unidad de volumen. Este parámetro es importante para el diseño y operación de equipos que emplean medios físicos en la separación de contaminantes presentes en las aguas residuales como lo son sedimentadores y desarenadores.
Ilustración 2 Figura de un desarenador.
Conductividad.
Es la medida de la capacidad que tiene una solución para conducir la corriente eléctrica. La conductividad tiene relación con los sólidos disueltos totales.
Por otro lado, es importante que conozcas que el agua contaminada también posee materiales que le proporcionan características químicas.
Los componentes químicos se clasifican en orgánicos e inorgánicos, los compuestos orgánicos de mayor interés incluyen materiales que no pueden ser considerados de forma separada por la composición de estos. Mientras que los inorgánicos incluyen elementos como calcio, cloruros, hierro, magnesio, zinc y compuestos como nitratos, carbonatos, sulfatos, etc.
Los constituyentes químicos inorgánicos de interés incluyen nutrientes, compuestos no metálicos, metales y gases. Entre los nutrientes se encuentran el amoniaco, el nitrógeno orgánico, el fósforo orgánico e inorgánicos, los nitritos y nitratos. Otros parámetros químicos como el pH, la alcalinidad, cloruros y sulfatos son empleados para estimar la capacidad de reutilización de las aguas residuales tratadas.
Los componentes orgánicos en las aguas residuales se componen de proteínas (40 a 60%), carbohidratos (25 a 50%), grasas y aceites (8 a 12%). Además, las aguas residuales contienen urea y pequeñas cantidades de moléculas orgánicas sintéticas.
Los análisis de laboratorio empleados para caracterizar compuestos orgánicos agregados presentes en las aguas residuales tratadas, no tratadas y en la evaluación del desempeño de las plantas de tratamiento son: la demanda bioquímica de oxígeno a cinco días (DBO5), demanda química de oxígeno (DQO) y el carbón orgánico total (COT).
En la siguiente tabla observaras los parámetros medidos en aguas residuales provenientes de lavado de materiales en distintas ciudades, revisa la DBO y la DQO.
Tabla 2 Parámetros utilizados para el lavado de materiales en diferentes ciudades.
| Parámetro | Le Havre | Rugby | Bristol | Kioto | Monterrey |
| Sólidos suspendidos | 10 a 18 | 5 | 3 a 10 | -- | 15 |
| DBO | 16 | 5 | 3 a 10 | 12.1 | -- |
| DQO | <90 | -- | -- | -- | 80 |
| Oxidación con KMnO4 | -- | -- | 5 a 10 | 9.6 | -- |
| Alcalinidad | -- | -- | 300 a 350 | 198 | 242 |
| Cloruros | -- | 70 | -- | 64 | 33 |
| Sulfatos | -- | -- | -- | -- | 50 |
| Fosfatos | -- | -- | -- | 1.9 | 10 |
| Amonio | -- | 2 | 0 | 12.3 | -- |
| PH | 7.1 a 7.2 | -- | 7.8 | 6.9 | 7.1 |
2. 1. 2. Rejas y cribas.
Los pretratamientos existentes hasta ahora se llevan a cabo a través de una reja pasando el agua residual a un tamiz o coladera que detiene los sólidos de gran tamaño que el líquido pueda contener, cuando han sido eliminados los sólidos de gran tamaño, el siguiente paso es el cribado, el cual se realiza a través de un tamiz más fino o cerrado. Como se mencionó, el agua residual contiene una gran cantidad de sólidos en suspensión de diversos tamaños de origen orgánico e inorgánico. El objetivo del tratamiento preliminar es acondicionar el agua residual, es decir, eliminar los sólidos de gran tamaño como basura y desperdicios, para ser alimentada a las diversas etapas que forman parte de una planta de tratamiento: tratamientos primarios, secundario y terciario.
Considerada como una operación unitaria dentro de los parámetros, se encuentra el cribado o desbaste, el cual se realiza mediante rejas que se distinguen por su abertura (medida en centímetros). Este puede localizarse antes del cárcamo de bombeo.
Ilustración 3 Cárcamo de bombeo.
Su propósito es remover sólidos gruesos como papel, trapos, madera, plásticos, entre otros materiales que de no eliminarse pueden dañar el equipo de bombeo, tapar tuberías o atorarse en los aireadores mecánicos.
En la siguiente tabla se presentan los diversos dispositivos para el cribado de las aguas residuales.
| Tipos | Abertura (cm) | Propósito |
| Rejilla para basura | 5 – 10 | Protege al equipo de bombeo, remueve troncos, trapos, botellas, etc.. |
| Rejillas | 1.5 a 5 | Remueve materiales no retenidos en las rejas. |
| Tamices | 0.22 – 0.32 | Protegen boquillas de filtros percoladores. |
| Cribas finas | 0.02 – 0.06 | Remueve pequeños materiales que no fueron eliminados en las rejas y rejillas. |
Las rejillas (cribas gruesas) se fabrican con barras de acero soldadas a un marco que se coloca transversalmente al canal. Pueden ser de limpieza manual o mecánicas. Las de limpieza manual tienen ángulos de inclinación respecto a la horizontal de 45 a 60 grados.
La siguiente figura muestra la configuración típica para una rejilla manual considerada reja o criba.
Ilustración 4 Elementos de una rejilla manual
En este tipo de rejilla, el agua cae por efecto de la gravedad al barandal y pasa por el escurridor hasta llegar a la rejilla, la cual detiene todos los elementos sólidos de gran tamaño.
Las rejillas mecánicas tienen inclinaciones que van desde los 45 hasta los 90 grados, con valor típico de 60 grados. Este tipo de dispositivos puede ser de limpieza frontal o posterior, cuenta con un peine que permite la limpieza de forma automática. La figura que a continuación se muestra es una rejilla de limpieza mecánica.
Ilustración 5 Elementos de una rejilla mecánica.
Este tipo de rejillas mecánicas detienen los sólidos grandes y luego de que están llenas de material, se acciona un mecanismo mediante el cual se depositan los elementos retenidos en un contenedor para su disposición.
2. 1. 3. Desmenuzadores y desarenadores.
En algunas plantas de tratamiento, después de las rejillas se instala otro pretratamiento como un triturador mecánico o desmenuzador, los cuales se utilizan en lugares donde el agua residual contiene mucho material de gran tamaño. El desmenuzador consiste en un tambor ranurado giratorio con una cuchilla cortadora móvil, que despedaza sólidos y trapos que pudieran pasar a través de las rejillas. Más tarde, el material despedazado se remueve del agua residual por sedimentación o flotación. La siguiente figura muestra la configuración de un triturador.
Ilustración 6 Configuración de un triturador.
Otro elemento utilizado como etapa preliminar o pretratamiento, dentro de la planta son los desarenadores. Los cuales se utilizan para las aguas que contienen arenas como las provenientes de industrias que lavan materiales con chorro de arena y agua.
Las arenas se remueven de las aguas residuales para proteger los equipos mecánicos de la abrasión y del excesivo desgaste, redecir la formación de depósitos dentro de las unidades de tratamiento que se utilizan después de los pretratamientos, y reducir la frecuencia de limpieza de los digestores (tanques donde se llevan a cabo los tratamientos secundarios y terciarios) por la acumulación de arenas.
Los desarenadores, por lo general, se localizan después de las unidades que remueven sólidos gruesos y antes de los equipos de sedimentación primaria, y se utilizan en el saneamiento del agua residual. Se emplean tres tipos de desarenadores:
· De flujo horizontal.
· Aireados.
· De vórtice.
El desarenador de flujo horizontal opera a velocidades cercanas a 1 pie (0.3 m/s) proporcionando el tiempo suficiente para que las partículas de arenas se sedimenten en el fondo del canal. Bajo condiciones ideales, las velocidades dentro del desarenador deberán permitir la sedimentación de las partículas más pesadas y el paso de las partículas orgánicas a través de este. La velocidad de flujo se controla a través de las dimensiones del canal y por el uso de dispositivos como vertederos o canales Parshall. La figura muestra un desarenador de flujo horizontal de limpieza manual.
Ilustración 7 Desarenadores de flujo horizontal.
En un desarenador de flujo horizontal, el agua cruda pasa a través del canal. La velocidad lineal del flujo se controla a través de las dimensiones del canal, empleando compuertas en la entrada del sistema para lograr una mejor distribución del flujo de agua o utilizando dispositivos con contracciones.
En los desarenadores aireados, las arenas se remueven con el movimiento en espiral que realiza el agua residual. El flujo en espirar es inducido por una corriente de aire, los desarenadores aireados tienen dos ventajas sobre los de flujo horizontal:
a) Mínimo desgaste de los equipos.
b) No se requiere una unidad independiente para el lavado de arenas.
La siguiente figura representa un desarenador aireado.
Ilustración 8 Desarenador aireado.
Los desarenadores de vórtice consisten en un tanque cilíndrico en donde el agua residual entra en forma tangencial, creando un vórtice dentro del cilindro.
El desarenador mostrado en la siguiente figura genera un vórtice libre por la acción del flujo tangencial de entrada. El efluente sale por el centro de la parte superior de la unidad desde el cilindro rotatorio, llamado también “ojo del fluido”.
Ilustración 9 Desarenador de vórtice.
Los pretratamientos son importantes para el saneamiento del agua, estos nos ayudan a eliminar gran cantidad de contaminantes sólidos y posibilitan los tratamientos primarios, secundarios y terciarios. Dentro de los pretratamientos, se destacaron las rejas, que se utilizan para tamaños de partículas muy grandes, y las cribas, las cuales se utilizan para tamaños más pequeños de material sólido. En la siguiente tabla apreciaras el uso que pueden tener los pretratamientos dependiendo del contaminante, recuerda que estos contaminantes podrían provenir de diferentes procesos industriales.
Tabla 3 Aplicación de los pretratamientos.
| Contaminantes | Concentración admisible | Técnica de pretratamiento. |
| Cloro libre | >0.5 mg/L | Filtración en carbón activado. Adición de dióxido de azufre o bisulfito de sodio para convertir el cloro en cloruro. |
| Hierro | 0.1 – 0.5 mg/L | Filtrar el hierro. Medio: gránulos de dióxido de manganeso catalizados. Esto permite que el hierro en solución reacciones para formar hidróxido ferroso que precipita y se retira por filtración. |
| > 0.5 mg/L | Airear por aspersión para oxidar el ión ferroso y filtrar en lechos de arena. | |
| Manganeso | >0.1 mg/L | Igual al hierro |
| Orgánicos | Dependiendo de la naturaleza química de los compuestos orgánicos se usa tratamiento biológico, adsorción de carbón activado, ozonación, ósmosis inversa, o en algunos casos, coagulación y clarificación. | |
| Contaminantes biológicos | Cloración, ozonación, radiación ultravioleta, ultrafiltración u ósmosis inversa. | |
| Materia suspendida | <5 mg/L para cocorriente <1 mg/L para contracorriente | Filtración. |
| Sólidos disueltos totales | >700 mg/L | Electrodiálisis u ósmosis inversa. |
Un pretratamiento puede considerarse como un filtrado con carbón activado, arena o zeolitas antes de un proceso biológico anaerobio debido a que la presencia de metales pesados o contaminantes químicos como pesticidas pueden alterarlo. Aunque de manera genérica estos filtrados pueden ser considerados tratamientos terciarios.
