Cuando se desea sanear el agua, en ocasiones no basta con un pretratamiento y un tratamiento primario, y esto pudiera deberse a que la contaminación del agua sea mayor. Como ejemplo tenemos a las aguas provenientes de industrias que utilizan solventes, detergentes, pinturas y algunos compuestos que no pueden ser removidos con la coagulación y la floculación, el motivo es porque las partículas son más pequeñas aún y requieren un tratamiento diferente, de aquí que se partan en dos tipos de tratamiento: los secundarios son basados en procesos biológicos llamados también lodos activados, estos se utilizan cuando existe gran cantidad de materia orgánica y los tratamientos terciarios basados en los procesos de adsorción y el intercambio iónico que son utilizados para remover metales pesados y partículas inorgánicas de tamaño muy pequeño.
2. 3. 1. Tratamientos aerobios y anaerobios.
Los contaminantes biodegradables que no fueron removidos en el pretratamiento y el tratamiento primario son estabilizados a través de procesos biológicos que pueden ser del tipo aerobio; estos procesos involucran la presencia de oxígeno y existen varios tipos. También existen los procesos anaerobios, los cuales se efectúan sin la presencia de oxígeno y con la tecnología adecuada para llevarlos a cabo.
Los objetivos globales del tratamiento biológico de las aguas residuales según Metcalf son:
· Transformar (oxidar) los componentes biodegradables suspendidos y disueltos a productos finales aceptables.
· Capturar e incorporar sólidos coloidales suspendidos no sedimentables dentro del floculo biológico.
· Transformar o remover nutrientes como el fosforo y nitrógeno.
· En algunos casos remover trazad de compuestos orgánicos específicos.
Los procesos biológicos pueden dividirse en dos categorías principales, aerobios y anaerobios que tienen relación con la forma como los microorganismos, utilizan el oxígeno. La tabla siguiente presenta los diferentes tipos de procesos biológicos empleados en el tratamiento de aguas y sus aplicaciones.
Tabla 1 Procesos biológicos.
| Tipos de proceso | Nombre común | Uso (aplicación) |
| Procesos aerobios | ||
| Crecimiento en suspensión | Proceso de lodos activados | Remueve DBO carbonácea, nitrificación. |
| Lagunas aireadas | Remueve DBO carbonácea, nitrificación. | |
| Digestión aerobia | Estabilización, remueve DBO carbonácea. | |
| Crecimiento en película | Contactores biológicos rotatorios | Remueve DBO carbonácea, nitrificación. |
| Filtros percoladores | Protegen boquillas de filtros percoladores. | |
| Reactores de lecho fijo | Remueve DBO carbonácea, nitrifación. | |
| Procesos híbridos combinación de procesos en suspensión y película fija | Lodos activados / filtro percolador | Remueve DBO carbonácea, nitrificación. |
| Procesos anaerobios | ||
| Crecimiento en suspensión | Proceso anaerobio | Remueve DBO carbonácea. |
| Digestión anaerobia | Estabilización, destrucción de sólidos, muerte de patógenos. | |
| Crecimiento en película | Cama fluidizada y empacada | Remueve DBO carbonácea, estabilización de residuos, desnitrificación. |
| Manto de lodo | Reactor UASB | Remueve DBO carbonácea, especialmente residuos con alta carga. |
| Hibrido | Reactor UASB / crecimiento en película | Remueve DBO carbonácea. |
Los procesos biológicos para el tratamiento de las aguas residuales constan de unidades (conjunto de microorganismos, controlados e identificados) que ponen en contacto a una población heterogénea de microorganismos con la materia orgánica presente en el agua durante el tiempo suficiente para llevar a cabo su oxidación bajo condiciones que pueden ser aerobias o anaerobias, lo cual constituye el inicio del proceso. Esto se ejecuta con el fin de que por medio de está oxidación se ejecute la captura y remoción de los sólidos coloidales que se forman.
Ahora bien, cuando se propone un proceso biológico habrá que tomar en cuenta las ventajas y desventajas que ofrecen los diferentes tipos para elegir la mejor opción. La siguiente tabla presenta las ventajas y desventajas de cada uno de estos procesos.
Tabla 2 Ventajas y desventajas de los procesos aerobios y anaerobios.
| Tipos | Ventajas | Desventajas |
| Procesos aerobios | Ausencia de olores | Alta tasa de síntesis celular por lo tanto producción de una gran cantidad de lodo. |
| Mineralización de todos los compuestos biodegradables. | Requiere de grandes cantidades de energía eléctrica para realizar la oxigenación y mezcla. Es necesario digerir el lodo antes de secarlo y enviarlo a disposición final. | |
| Proceso anaerobio | Baja producción celular por lo tanto baja cantidad de lodo | Requiere de altas temperaturas para obtener altos grados de tratamiento. |
| El lodo producido es razonablemente estable por lo que puede enviarse a secado y disposición | Tiene riesgos a la salud | |
| Al no requerir oxígeno disminuye el uso de energía eléctrica | Tiene un intervalo de operación de pH bastante restringido. | |
| Es usado para aguas residuales con alto contenido orgánico. | Requiere de altas concentraciones de alcalinidad. | |
|
| Produce metano, que puede ser empleado en la producción de energía | Es sensible a la contaminación con oxígeno. |
|
| Tiene requerimientos nutricionales bajos | Puede presentar olores desagradables por H2S, ácidos grasos y amidas. |
Procesos aerobios.
Cuando se habla de procesos biológicos aerobios es necesario decir que son de los más complejos debido a que intervienen diferentes factores, desde los tamaños de las partículas contaminantes hasta las reacciones que pueden provocar al momento del proceso. A continuación, se explicará cada uno de los procesos aerobios, su función, sus pasos de proceso y reacciones que se llevan a cabo dentro de este.
Crecimiento en suspensión.
El tratamiento se lleva a cabo al poner en contacto la materia orgánica medida como demanda bioquímica de oxígeno (DBO) con una población heterogénea de microorganismos que se agrupan en flóculos llamados FLOCS o biomasa.
El tratamiento se lleva a cabo en dos tanques. El primero con agitación (comúnmente llamado reactor biológico o tanque de aireación) para poder en contacto la materia orgánica, microorganismos y oxígeno necesario para estabilizar la materia orgánica. El segundo (sedimentador secundario) permite la separación de la biomasa producida en el reactor.
Ilustración 1 Sistema de aireación por difusor de burbuja fina
La función del sistema de aireación (el cual es llamado así porque cuando se agita el agua se introduce aire por medio del movimiento) es transferir oxígeno al agua residual a tasas requeridas para oxidar la materia orgánica y permitir que se desarrollen las funciones metabólicas de los microorganismos.
Las reacciones que se presentan dentro del proceso biológico aerobio son las siguientes.
Reacción de oxidación
Reacción de síntesis
Reacción de respiración endógena.
Todas estas reacciones se llevan a cabo por complejas poblaciones de microorganismos que intervienen en el tratamiento biológico. Cada uno tiene su propia curva de crecimiento que depende de las condiciones del sistema como lo es pH, temperatura y nutrientes. En la siguiente figura se presenta la curva para los principales microorganismos dentro del tratamiento de agua residual, llamado también proceso de lodos activados.
Ilustración 2 Curvas de crecimiento para los diversos microorganismos presentes en el proceso de lodos activados.
| La eficiencia de los procesos biológicos se determina por las características del agua cruda residual, las condiciones ambientales del sistema y por la población de microorganismos presentes. |
Dentro del tratamiento aerobio los microorganismos se encuentran en suspensión, mezclándose con el agua residual a través de la aireación suministrada (conocido como lodos activados). El proceso de lodos activados en suspensión tiene algunas variantes como son:
· Proceso convencional.
· Alta tasa.
· Mezcla completa.
· Aireación por etapas.
· Estabilización contacto.
· Aireación extendida.
· Zanjas de oxidación.
· Lagunas aireadas.
Proceso convencional.
En este proceso el agua cruda se alimenta continuamente del reactor biológico (recipiente en donde se llevan a cabo los procesos biológicos), en donde se encuentra la población heterogénea de microorganismos (lodo activado) compuesto en su mayoría por bacterias, protozoarios, flagelados y rotífero. El medio aerobio se mantiene mediante el uso de aireación mecánica o inyección de aire por sopladores; de no ser así los microorganismos morirían y el proceso no se podría ejecutar. Después de cumplir un tiempo de retención, la población de microorganismo pasa al tanque de sedimentación donde se lleva a cabo la separación de los flóculos biológicos del agua tratada. El agua clarificada sale por la parte superior del sedimentador mientras que por el fondo se purga un porcentaje de lodo medidos como sólidos suspendidos de licor mezclado (SSVLM), otro porcentaje es recirculado al reactor biológico con el fin de mantener la población dentro del sistema. La imagen que a continuación se muestra presenta la configuración típica de un proceso de lodos activados convencional.
Ilustración 3 Proceso convencional de lodos activados.
Alta tasa.
Es una variante del proceso de lodos activados convencional. Consiste en el empleo de bajos tiempos de retención hidráulica, es decir el agua permanece poco tiempo en el reactor con altas concentraciones de lodos activados en el reactor biológico, bajas edades de los microorganismos que componen lodos y altas relaciones alimento a microorganismos. Este es un proceso más económico que el convencional, es empleado cuando los requerimientos de calidad del efluente no son muy estrictos o pueden ser empleados como un tratamiento secundario previo de aguas residuales con altas concentraciones de contaminantes antes de algún proceso convencional.
Mezcla completa.
Este tipo de proceso disminuye las cargas puntuales de materiales tóxicos como de carga orgánica que pudieran sobrepasar la capacidad de asimilación de un reactor de flujo pistón (se muestra una imagen al término del párrafo). Se caracteriza porque la concentración de biomasa es la misma en cualquier punto del reactor, por lo que al llegar una masa de contaminantes se diluye instantáneamente en todo el sistema de reacción disminuyendo en forma drástica la concentración.
Ilustración 4 Reactor de flujo de pistón.
Aireación por etapas.
Este proceso se lleva a cabo la aireación del licor mezclado de acuerdo con la demanda de oxígeno. Se tienen dos opciones, una donde el influente al reactor se alimenta en diferentes puntos y la segunda establece una mayor aireación al principio del tanque disminuyendo mediante espaciamiento de los difusores o aireadores mecánicos. Revisa la siguiente figura:
Ilustración 5 Proceso de alimentación por pasos.
Estabilización – contacto.
Este proceso aprovecha una propiedad natural de los microorganismos de absorber el sustrato o materia orgánica a la pared celular y posteriormente, mediante procesos enzimáticos, lo transforma a moléculas que pueden pasar a través de la pared celular para su aprovechamiento en la generación de energía o en la generación de protoplasma biológico. Una vez absorbido el sustrato por los microorganismos, estos pueden ser removidos del sistema por medio de sedimentación, alcanzando una alta eficiencia de remoción sin haberse producido la estabilización de la materia orgánica. Una vez concentrados, los microorganismos son transferidos a otro tanque de aireación donde se lleva a cabo la estabilización del sustrato. La siguiente figura presenta este proceso.
Ilustración 6 Proceso de estabilización contacto.
Aireación extendida.
Es de los procesos comúnmente empleados para el tratamiento de las aguas residuales tanto municipales como industriales. La principal característica es que opera con tiempos medios de retención celular (TMRC) entre 15 y 20 días, lo que provoca que los lodos generados en este tipo de procesos estén prácticamente estabilizados, con esto se disminuye el problema de su disposición final del agua residual.
Los tiempos de aireación son más prolongados que los empleados en los sistemas convencionales y completamente mezclados van desde 8 hasta 24 horas o más, dependiendo de las características del agua residual a tratar.
Zanjas de oxidación.
El proceso consiste en un canal en forma de circuito cerrado de 90cm a 1.8m de profundidad, con paredes de 45º de pendientes y con aireadores mecánicos tipo cepillo. Los aireadores son localizados en uno o varios puntos a lo largo del canal o zanja. El influente se alimenta al sistema después de un pretratamiento como cribado o desarenación.
Los aireadores mecánicos crean la mezcla y circulación del agua en la zanja, así como la transferencia del oxígeno suficiente para el tratamiento. En la siguiente figura se muestran los aireadores que operan entre 60 y 100rpm y proporcionan la velocidad suficiente para mantener a los lodos en suspensión. El proceso maneja tiempos de retención celular que van desde 10 a 50 días, lo que puede contribuir a tener un alto grado en la nitrificación.
Ilustración 7 Esquema del proceso por zanja de oxidación.
Lagunas aireadas.
Pueden ser diseñadas para una mezcla completa y totalmente aerobias o parcialmente mezcladas y facultativas (un parte se encuentra bajo condiciones aerobias y el resto en condiciones anaerobias). En ambos casos se suministra una cierta cantidad de energía para el mezclado y con el fin de mantener en suspensión los sólidos suspendidos volátiles. En la siguiente figura se representan lagunas aireadas de mezcla completa y parcial.
Ilustración 8 Lagunas aireadas de mezcla completa y parcial.
Existe una variante del proceso de lodos activados con la característica de que no emplea recirculación de lodos, maneja una baja concentración de sólidos suspendidos volátiles de 150 a 350 mg/L y se caracteriza por tener tiempos de retención altos que van desde dos a siete días. La siguiente figura muestra el proceso.
Ilustración 9 Lagunas aireadas de parcialmente mezclada.
Cada uno de los procesos biológicos descritos se rigen bajo una serie de parámetros de operación y diseño presentados en la siguiente tabla. En ella, se indican las principales variables de diseño y control para los diversos procesos aerobios por lodos activados, así como las unidades de medición para su control.
Tabla 3 Variables de diseño y control de proceso para lodos activados.
| No. | Descripción | Parámetros | Unidad. |
| 1 | Influente | Caudal | |
| Sólidos suspendidos | | ||
| DBO5 | | ||
| DQO | | ||
| 2 | Reactor | SSLM | |
| SSVLM | | ||
| IVL | | ||
| Análisis microscópico | --- | ||
| Relación alimento – microorganismo (F/M) | Días -1 | ||
| Edad de lodos (TMRC) | Días | ||
| Oxígeno disuelto | | ||
| 3 | Clarificador secundario | Carga superficial de sólidos | |
| Carga hidráulica | | ||
| Manto de lodos | m | ||
| 4 | Efluente | Sólidos suspendidos | |
| DBO5 | | ||
| DQO | | ||
| Turbidez | UTN | ||
| 5 | Lodo en exceso | Caudal | |
| SSLM o %concentración |
| ||
| 6 | Recirculación | Caudal | |
| SSLM o %concentración | mg o % |
Una representación gráfica es de mucha ayuda para comprender los parámetros de operación de un proceso biológico aerobio (lodos activados). En el diagrama siguiente se muestran las principales variables en cada uno de los putos que lo integran.
Ilustración 10 Diagrama y variables del proceso de lodos activados.
Donde:
Qi = caudal del influente.
Xi = sólidos suspendidos en el influente.
Si = materia orgánica en el influente.
Vr = Volumen del reactor biológico.
X = sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado.
Qr = caudal de recirculación.
Xr = sólidos suspendidos en la recirculación.
Qp = Caudal de purga
Xr = sólidos suspendidos en la purga.
Qe = caudal del efluente.
Xe = sólidos suspendidos en el efluente.
S = materia orgánica en el efluente.
Es importante que conozcas los valores que te servirán de referencia para estos parámetros, de esta forma sabrás cuando alguno de ellos no cumple con el diseño y la operación optima de una planta de tratamiento. A continuación, observaras una tabla en donde se presentan los valores típicos de diseño para los parámetros comúnmente empleados en el proceso de lodos activados.
| Proceso | Tipo de reactor | TMR C (día) | F/M | Carga volumétrica | SSLM | Tiempo retención (h) | % Recirculación | |
| | | |||||||
| Aireación alta tasa | Flujo tapón | 0.5 – 2 | 1.5 – 2 | 75 -150 | 1.2 – 2.4 | 200 – 1000 | 1.5 – 3 | 100 – 150 |
| Estabilización contacto | Flujo tapón | 5 – 10 | 0.2 – 0.6 | 60 – 75 | 1 – 1.3 | 1000 – 3000 6000 – 10000 | 0.5 – 1 | 50 -150 |
| Flujo tapón convencional | Flujo tapón | 3 – 15 | 0.2 – 0.4 | 20 – 40 | 0.3 – 0.7 | 1000 – 3000 | 4 – 8 | 25 – 75 |
| Alimentación por etapas | Flujo tapón | 3 – 15 | 0.2 – 0.4 | 40 – 60 | 0.7 – 1 | 1500 – 4000 | 3 – 5 | 25 – 75 |
| Mezcla completa | Mezcla completa | 3 – 15 | 0.2 – 0.6 | 20 – 100 | 0.3 – 1.6 | 1500 – 4000 | 3 – 5 | 25 -100 |
| Aireación extendida | Flujo tapón | 20 – 40 | 0.04 – 0.1 | 5 – 15 | 0.1 – 0.3 | 2000 – 5000 | 20 – 30 | 50 – 150 |
| Zanja de oxidación | Flujo tapón | 15 – 30 | 0.04 – 0.1 | 5 – 15 | 0.1 – 0.3 | 3000 – 5000 | 15 – 30 | 75 – 150 |
| Reactores secuenciales Batch | Batch | 10 – 30 | 0.04 – 0.10 | 5 – 15 | 0.1 – 0.3 | 2000 – 5000 | 15 – 40 | NA |
Donde:
SSLM: sólidos suspendidos de licor mezclado.
SSVLM: sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado.
IVL: índice volumétrico de lodo.
F/M: relación alimento – microorganismo.
TMRC: tiempo medio de retención celular.
Existe, además tecnología utilizada para complementar los procesos de lodos activados y hacerlo aún más eficiente. A continuación, encontraras los complementos más comunes:
Crecimiento en película.
Este tipo de proceso utiliza un soporte para permitir el desarrollo de la población de microorganismos, encargados de remover la carga orgánica presente en el agua residual. Las dos principales operaciones empleadas son los filtros percoladores y discos biológicos.
Filtros percoladores.
También conocidos como filtros rociadores o filtros biológicos, es uno de los procesos que trata de proveer una superficie en la cual la población heterogénea de microorganismos en forma de lama se adhiere a ella. El crecimiento de los microorganismos se da al exponerlos de forma continua a una corriente de agua residual y aire, estas corrientes fluyen contra corriente es decir el agua cruda con la materia orgánica fluye desde la parte superior del equipo hasta el fondo y el aire entra por la parte baja a través de ventilas y asciende oxigenando a la población de microorganismos. La cantidad de biomasa producida es controlada por la disponibilidad de alimento y la población puede incrementarse proporcionalmente con el aumento de la carga orgánica hasta lograr un espesor máximo deseado.
El crecimiento máximo es controlado por factores del tipo físico como la rapidez de dosificación, el tipo medio, el tipo de materia orgánica, el tipo de nutrientes y la temperatura.
El efluente del filtro percolador debe ser alimentado a un sedimentador secundario, para remover la biomasa desprendida del filtro; a continuación, se muestran los elementos de un filtro percolador.
Ilustración 11 Elementos de un filtro percolador.
Discos biológicos.
Este proceso está constituido por una serie de discos que pueden ser fabricados de polietileno de alta densidad de 1 a 1.5cm de espesor, tienen un diámetro de 3 a 3.6m (10 a 12 pies), montados sobre un eje o flecha horizontal rotatoria que puede tener una longitud de 7.6m (25 pies). Este proceso tiene aplicaciones en el tratamiento secundario y nitrificación.
La superficie de los discos se encuentra sumergida en un 40% en las aguas residuales, para constituir una película biológica fija de 14mm de espesor y los discos están acoplados a un motor y giran a una velocidad de 1 a 2 rpm. Los discos entran en contacto con el agua residual y el aire atmosférico al mismo tiempo, lo que hace más eficiente el proceso biológico. A continuación, se muestra en la figura el sistema por discos biológicos.
Ilustración 12 Configuración de un sistema por discos biológicos.
Procesos anaerobios.
El otro proceso biológico comúnmente utilizado es el anaerobio, el cual reduce de manera significativa el número de reacciones que se efectúan debido precisamente a la ausencia de oxígeno. Los procesos anaerobios se caracterizan porque los microorganismos estabilizan la materia orgánica en ausencia de oxígeno y además por los productos finales de la reacción que son CH4, CO2, y nuevas células; el metano, producto de este proceso, puede ser aprovechado en la generación de energía dentro de las instalaciones de tratamiento.
El desarrollo de este proceso se ha dado a través de tres generaciones de reactores anaerobios, las cuales se caracterizan porque en cada generación se reduce el tiempo de retención hidráulico (TRH) y mejora el contacto entre el lodo y el sustrato, lo cual significa menores volúmenes de reactor, costos más bajos, sistemas más estables y de más fácil operación.
A continuación, analizaras los tipos de reactores:
1. Reactores de primera generación: el tiempo de retención celular es igual al TRH, por lo que se requieren TRH muy altos. Existe un contacto inadecuado entre la biomasa y la materia orgánica algunos ejemplos son lagunas anaerobias, tanque séptico y tanque Imhoff. Observa la siguiente figura.
Ilustración 13 Lagunas anaerobias. Basado en procesos anaerobios de primera, segunda y tercera generación.
2. Reactores de segunda generación: se caracterizan porque cuentan con mecanismos para retención de lodos, haciendo independiente el tiempo de retención celular del TRH. Los dos mecanismos más aplicados son:
· Lecho fijo – filtros anaerobios de flujos ascendente y descendente.
· Reactor – UASB, observa la siguiente figura.
Ilustración 14 Tanque séptico. Basado en procesos anaerobios de primera, segunda y tercera generación.
3. Reactores de tercera generación: para optimizar el contacto entre el sustrato y la biomasa, está se adhirió con partículas de arena, alúmina o plástico, las cuales se expanden a reactores de lecho fluidizado (hecho fluido) o expandido. Observa la figura que se presenta a continuación:
Ilustración 15 Procesos anaerobios. Basado en primera, segunda y tercera generación.
2. 3. 2. Filtración e intercambio iónico.
Hasta ahora, se han analizado dos procesos biológicos considerados tratamientos secundarios. Una de las etapas finales dentro del tratamiento de agua residual o potable es el tratamiento terciario compuesto por operaciones unitarias como la filtración sobre arena y el intercambio iónico, estos tratamientos son utilizados para depurar el agua de materiales no orgánicos y son comúnmente requeridos cuando existe la presencia de metales pesados.
Filtración sobre arena:
Una de las etapas complementarias dentro del tratamiento de agua residual es la filtración sobre arena, cuyo objetivo es remover los sólidos suspendidos y bacterias que no pudieron sedimentar en el clarificador secundario.
Para logar la clarificación final se usan medios porosos generalmente fabricado de arena o arena y antracita.
El proceso de filtración remueve el material suspendido medido en la práctica como turbiedad compuesto del floculo, el suelo y los metales oxidados producto de un proceso de coagulación floculación.
En el tratamiento de aguas residuales y la remoción de microorganismos son de gran importancia puesto que muchos de ellos son extremadamente resistentes a la desinfección, por esta razón se utiliza la filtración para detener la mayor cantidad posible de microorganismos.
La filtración puede ser llevada a cabo en filtros atmosféricos o filtros de presión, el filtro rápido por gravedad (atmosférico) es el tipo de filtro más usado en tratamiento de aguas en donde la operación de filtración supone dos etapas: filtración y lavado. Ambas se identifican en la siguiente figura:
Ilustración 16 Elementos de un filtro rápido de arena.
Como pudiste apreciar, la filtración se efectúa de diferentes maneras. A continuación, revisaras los sistemas de filtración más comunes que existen.
Muchos son los sistemas de filtración propuestos y construidos, se pueden clasificar de acuerdo con:
· La dirección del flujo.
· El tipo de lecho filtrante.
· La fuerza impulsora.
Dirección de flujo.
Los filtros pueden ser de flujo hacia abajo, hacia arriba o de flujo dual como se esquematiza en la siguiente figura.
Ilustración 17 Filtros atmosféricos con diversas direcciones en el flujo.
Estos filtros aprovechan la dirección del flujo del agua. Son convenientes cuando ya existe un efluente y aprovecharse con el movimiento, ya sea por gravedad o provocado por motores.
Tipo de lecho filtrante.
Los filtros que utiliza, generalmente, un medio es llamados mono lecho, arena o antracita; un medio dual, arena y antracita, o un lecho mezclado: arena, antracita y gravilla (multi lecho).
La siguiente figura permite compara los tres tipos de medios filtrantes comúnmente usados en tratamientos de aguas. En el esquema se muestra como son los lechos de los filtros con un medio, dos o varios. En los lechos se filtra el agua por efecto de gravedad.
Ilustración 18 medio filtrantes empleados en la filtración.
Fuerza impulsora.
Una fuerza impulsora (una bomba o la gravedad) que permite la circulación en un sentido determinado. Esto dependiendo del diseño del sistema filtrante. De acuerdo con la fuerza impulsora utilizada para vencer la resistencia friccional ofrecida por el lecho filtrante, los filtros se clasifican como de gravedad o de presión.
El filtro por gravedad es el más usado en plantas de tratamiento de agua residual. El uso del filtro a presión se ha extendido principalmente en la filtración de aguas para piscinas y en pequeñas plantas donde su instalación es ventajosa, recientemente se ha generalizado su uso en plantas de tratamiento de agua residual. En la siguiente figura se presentan los filtros atmosféricos, los cuales, como ya has estudiado, utilizan la fuerza de la gravedad para su operación, así como los filtros a presión que utilizan un motor.
Ilustración 19 Filtro atmosférico.
En esta figura observaste como la fuerza de la gravedad ayuda a filtrar el agua a través del lecho.
Ilustración 20 Filtro a presión.
El filtro recibe el efluente y este es forzado a través del lecho; luego, es expulsado por la misma presión generada convirtiendo en un afluente filtrado.
Hasta ahora has estudiado el proceso de filtración, pero debido a que algunas partículas de tamaño muy pequeño aún podrían pasar a través de estos filtros, es necesario emplear otro tratamiento considerado terciario: el intercambio iónico.
Intercambio iónico.
Este es un proceso unitario a través del cual los iones de una especia son desplazados de un material de intercambio insoluble por iones de diferentes especies en solución. Este proceso es comúnmente empleado en el ablandamiento de agua potable en donde el ion de sodio de una resina catiónica es reemplazado por iones de calcio y magnesio del agua a tratar.
El sistema puede incluir resinas de intercambio catiónico y aniónico y el proceso se lleva a cabo de la siguiente manera:
Primero se pasa el agua cruda a través del intercambiador de cationes donde los iones cargados positivamente son reemplazados por iones de hidrógeno o sodio; luego el efluente del intercambiador catiónico se alimenta al aniónico en donde los aniones son reemplazados por iones hidroxilo.
Los sistemas se componen de columnas empacadas con resinas catiónicas y aniónicas (suavizadores) de flujo descendente, cuando las resinas se saturan se aplica un retrolavado para eliminar los sólidos retenidos y posteriormente se realiza una regeneración de estas. La columna catiónica se regenera con un ácido fuerte como el ácido sulfúrico, mientras que la aniónica es regenerada con hidróxido de sodio. La siguiente figura representa un sistema de intercambio iónico.
Ilustración 21 Sistema de columnas de intercambio iónico.
El intercambio iónico se lleva a cabo dentro de los suavizadores, los cuales contienen las sustancias que permiten la interacción con el agua, reforzados con salmuera, todo ello con un sistema de bombeo para agilizar el proceso.
2. 3. 3. Adsorción en carbón activado.
Es un proceso de superficie en donde se da la concentración selectiva sobre una superficie solida de moléculas contenidas en un líquido o un gas.
El carbón activado se usa comúnmente para eliminar compuestos orgánicos que causan olores, sabores, colores y otros efectos nocivos debidos a compuestos como fenoles, plaguicidas, colorantes orgánicos, surfactantes, etc. El carbón se puede emplear en forma en polvo o granulado, este último es de mayor aplicación en el tratamiento del agua.
Se emplean columnas empacadas de carbón activado, en donde se realiza la alimentación de agua cruda por la parte superior del equipo a través de sistemas que permiten la distribución del fluido en toda el área superficial del empaque.
La figura de abajo muestra un sistema de columnas de carbón activado.
Ilustración 22 Sistema de columnas de carbón activado.
La remoción de compuestos orgánicos en columnas de carbón activado se lleva a cabo a través de varios mecanismos:
1. Adsorción de las moléculas orgánicas.
2. Filtración de partículas mayores.
3. Sedimentación de material coloidal.
A manera de conclusión, recuerda que existen pretratamientos que consisten en separar los materiales de gran tamaño del agua, los tratamientos separan los materiales particulados que aparecen como coloides en el medio acuoso, y los tratamientos secundarios separan los materiales orgánicos que pueden ser microorganismos que dañan a la salud humana. Los tratamientos terciarios, por su parte, separan los metales pesados y demás depósitos no orgánicos; cabe mencionar que estos últimos posibilitan el consumo humano del agua que es tratada.
El uso de uno o varios tratamientos depende de la normatividad que se quiera cumplir. En nuestro país existen las normas oficiales tanto para las descargas de agua como para la potabilización para consumo humano. A continuación, encontraras una tabla que resume las ventajas y desventajas de los procesos biológicos necesarios para la elección de la tecnología apropiada.
Tabla 4 Ventajas y desventajas de los procesos anaerobios y aerobios.
| Proceso | Ventajas | Desventajas |
| Digestión anaerobia | Buena reducción de SSV (40 a 60%). Los costos pueden ser bajos si se utiliza el gas metano, Amplia aplicación. Los sólidos obtenidos son apropiados para uso agrícola. Reducción de la masa total. Bajos requerimientos netos de energía. | Requiere que los operadores sean experimentados. Pueden formarse espumas. Los organismos metanogénicos pueden crecer lentamente en “digestores ácidos”. Se recobra lentamente después de un colapso. Sobrenadante con alto contenido de DQO, DBO, SST y NH3. La limpieza es difícil. Puede generar olores desagradables. Alto costo inicial. Incrustación potencial de minerales. Medidas de seguridad por la producción de gas inflamable. |
| Digestión aerobia. | Bajo costo inicial, particularmente para las plantas pequeñas. El sobrenadante es de mejor calidad que el anaerobio. Control opcional simple. Amplia aplicación. Bajo potencial de producción de olores con diseño y operación apropiados. Reduce la masa total. | Alto costo de energía. Generalmente, menos reducción de SSV que en anaerobia. PH y alcalinidad reducidos. Se pueden formar espumas. Potencial dispersión de patógenos por formación de aerosoles. El lodo es típicamente difícil de desaguar mecánicamente. Las bajas temperaturas afectan adversamente la eficiencia. |
| Estabilización con cal | Bajo costo. Fácil operación. Bueno como método emergente de estabilización. | El lodo es apropiado, principalmente, para aplicación en suelos ácidos. Incrementa la masa de los sólidos. |
A continuación, revisara una tabla que resumen los procesos de tratamiento y su posibilidad de aplicación, dependiendo del tipo de contaminante en cuestión. Recuerda que es muy importante la caracterización del agua para saber cómo tratarla.
Tabla 5 Resumen de procesos de tratamiento respecto a contaminantes.
| Procesos de tratamiento | Grupo de contaminantes | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |||
| Tratamientos fisicoquímicos. | ||||||||||||
| Filtración directa | *L | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | ||
| Coagulación – floculación | * | *L | -- | -- | *L | *L | -- | -- | -- | -- | ||
| Desorción | NO | NO | -- | * | * | *L | *T | -- | -- | * | ||
| Destilación | *T | *T | -- | *T | *T | *T | *T | *T | -- | -- | ||
| Fotolisis | NO | * | -- | *T | *T | *T | -- | * | -- | -- | ||
| Precipitación química | *EE | *EE | -- | -- | *L | * | * | * | -- | * | ||
| Extracción con solventes | *L | -- | * | * | *EE | *L | * | * | -- | * | ||
| Procesos de membrana: | ||||||||||||
| Ósmosis inversa | *EE | *EE | *EE | *T | *T | *T | *T | *T | *T | *T | ||
| Hiperfiltración | *T | *T | *T | *T | *T | *T | *T | *T | *T | *T | ||
| Ultrafiltración | *L | NO | NO | NO | *L | NO | NO | NO | NO | NO | ||
| Electrodiálisis | *T | -- | NO | -- | -- | -- | NO | NO | NO | NO | ||
| Oxidación química | ||||||||||||
| Ozonación | *L | -- | -- | *EE | *EE | *EE | --- | --- | -- | -- | ||
| Otros oxidantes | *L | NO | NO | NO | *L | NO | NO | NO | NO | NO | ||
| Adsorción | * | *EE | * | * | *EE | *EE | * | *EE | -- | * | ||
| Carbón activado | *EE | *EE | -- | * | *EE | *EE | -- | *EE | -- | -- | ||
| Tratamiento biológico | ||||||||||||
| Aerobios | *EE | *L | * | * | *EE | * | *T | *EE | *L | *EE | ||
| Cepas adaptadas | *EE | *L | * | * | *EE | * | -- | *EE | *L | *EE | ||
| Plantas acuáticas | * | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | ||
| En donde: 1. Metales. 2. Plaguicidas. 3. Bifenilos policlorados. 4. Hidrocarburos alifáticos halogenados. 5. Hidrocarburos aromáticos monocíclicos. | 6. Hidrocarburos aromáticos policíclicos. 7. Éteres halogenados. 8. Éteres del ácido ftálico. 9. Nitrosaminas. 10. Otros compuestos. | *EE = se aplica en elevadas eficiencias de remoción. *T = teóricamente, se aplica para la remoción de compuestos. *L = se aplica para la remoción de determinados compuestos. * = se aplica para contaminantes del grupo. NO = no se acepta. -- = no se dispone de información. | ||||||||||
Como ejemplo, si deseas remover metales pesados del agua contaminada tienes que revisar la columna correspondiente al número 1 y ubicar los tratamientos de alta eficiencia (EE). En este caso sería cepas adaptadas, tratamientos aerobios, intercambio iónico, ósmosis inversa y precipitación química. Estos tratamientos resultan ser los más eficientes para el saneamiento de agua contaminada por metales.
Otro aspecto muy importante es saber de dónde provienen los contaminantes del agua, en la siguiente tabla encontraras los contaminantes más comunes en las aguas residuales, sus fuentes y la importancia ambiental que tienen:
Tabla 6 Contaminantes y sus fuentes.
| Contaminantes | Fuente | Importancia ambiental |
| Sólidos suspendidos | Uso doméstico, desechos industriales y agua infiltrada a la red. | Causa depósitos de lodo y condiciones anaerobias en ecosistemas acuáticos. |
| Compuestos orgánicos biodegradables | Desechos domésticos e industriales. | Causa degradación biológica, que incrementa la demanda de oxígeno en los cuerpos receptores y ocasiona condiciones indeseables. |
| Microorganismos patógenos | Desechos domésticos | Causan enfermedades transmisibles. |
| Nutrientes | Desechos domésticos e industriales | Puede causar eutroficación. |
| Compuestos orgánicos refractarios | Desechos industriales | Pueden causar problemas de sabor y olor, pueden ser tóxicos o carcinogénicos. |
| Metales pesados | Desechos industriales, minería, etc. | Son tóxicos, pueden interferir con el tratamiento y reúso del efluente. |
| Sólidos inorgánicos disueltos | Debido al uso doméstico o industrial se incrementan con respecto a su nivel en el suministro de agua. | Pueden inferir con el reúso del efluente. |
Toda esta información es de suma importancia debido a que es la experiencia de los autores lo que se puede aprovechar para conocer y aprender.
