Funcionamiento de las depuradoras de aguas residuales: Modelos de tratamiento de aguas residuales

El tratamiento de las aguas residuales es vital para la salud de las comunidades y los ecosistemas. Proporciona agua limpia y saludable para uso industrial y municipal, reduce la transmisión de enfermedades y contribuye a garantizar un medio ambiente verde y próspero para las generaciones venideras.

¿Cómo funciona este proceso esencial? En la siguiente guía se describen las etapas del tratamiento de aguas residuales, se examina el diagrama de una depuradora y se analizan en detalle algunos métodos de tratamiento de aguas residuales.

Las aguas residuales son el agua que la gente ha utilizado, ya sea en casa, en baños, cocinas, lavaderos y patios, o en operaciones industriales como la agricultura o la fabricación. En Estados Unidos, las depuradoras procesan unos 34.000 millones de galones de aguas residuales al día.

Las aguas residuales no tratadas contienen principalmente agua en volumen. También contiene numerosas impurezas que hacen que el agua no sea segura para su reutilización o para verterla de nuevo al medio ambiente.

En Estados Unidos, la mayoría de las aguas residuales se someten a tratamiento. En todo el mundo, sin embargo, la práctica de tratar las aguas residuales no es tan común. Según las Naciones Unidas, alrededor del 80% de las aguas residuales del mundo no se tratan cuando vuelven al medio ambiente.

El tratamiento de las aguas residuales es esencial por varias razones. 

Preservar el medio ambiente

El bombeo de aguas residuales sin tratar al medio ambiente tiene un efecto ecológico devastador. Los contaminantes de las aguas residuales pueden matar plantas y animales o hacer que los hábitats sean inseguros para vivir y las fuentes de agua peligrosas para beber. Las aguas residuales contaminadas de muchas industrias, incluida la del petróleo y el gas, pueden tener estas consecuencias adversas.

Otro efecto medioambiental común asociado a las aguas residuales es la proliferación de floraciones de algas nocivas. Estas floraciones suelen formarse cuando las aguas residuales que contienen altas concentraciones de nutrientes como nitrógeno o fósforo llegan a los suministros de agua dulce. Los nutrientes se acumulan en el agua dulce en un proceso conocido como eutrofización.

Las algas prosperan con el nitrógeno y el fósforo, por lo que, a medida que consumen estos nutrientes, empiezan a sobredimensionar su hábitat. Consumen gran parte del oxígeno disponible y a menudo contienen toxinas nocivas. En última instancia, tienden a ahogar la vegetación autóctona y a matar organismos acuáticos como peces y moluscos.

Proteger la salud humana

Verter aguas residuales sin tratar en el medio ambiente tiene muchos efectos adversos para la salud humana. Por ejemplo, el vertido de aguas residuales no tratadas es un factor en muchas de las aproximadamente 1,6 millones de muertes por diarrea que se producen cada año. En todo el mundo, 1.800 millones de personas utilizan fuentes de agua contaminadas con materia fecal, y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE.UU. informan de que el 88% de las muertes por diarrea son atribuibles a agua no apta para el consumo, saneamiento insuficiente y prácticas de higiene inadecuadas. Las tierras de cultivo regadas con aguas residuales no tratadas también pueden producir cosechas que no son seguras para el consumo.

Enfermedades como el cólera, la disentería, la fiebre tifoidea y la esquistosomiasis son comunes en muchas partes del mundo donde las aguas residuales reciben poco tratamiento. Estas enfermedades matan a más niños que el sarampión, la malaria y el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) juntos.

En países como Estados Unidos, donde muchas de estas enfermedades son menos comunes, siguen preocupando enfermedades como la criptosporidiosis, la giardiasis y la colitis infecciosa asociada a patógenos como E. coli.

Paliar la escasez de agua

La escasez de agua también es un grave problema en muchas zonas del mundo. Las Naciones Unidas informan de que dos tercios de la población mundial experimentan escasez de agua durante al menos un mes al año, y la escasez intensa de agua podría desplazar de sus hogares hasta a 700 millones de personas de aquí a 2030.

Paliar la escasez de agua depende en parte de los procesos de conservación y reciclaje del agua. El tratamiento de las aguas residuales es una parte inestimable de estos procesos. Un tratamiento minucioso y eficaz de las aguas residuales suele hacerlas aptas para su reutilización en procesos industriales o, a veces, como agua potable si los protocolos de tratamiento son lo suficientemente estrictos.

¿Cuáles son las tres etapas del tratamiento de aguas residuales?

Las tres etapas principales del tratamiento de aguas residuales son el tratamiento primario, secundario y terciario. Muchas plantas también añaden una etapa de pretratamiento antes del proceso de tratamiento primario.

En un modelo estándar de depuradora municipal, las aguas residuales fluyen hacia unos tanques de pretratamiento antes de someterse a un tratamiento primario y luego secundario. No todas las plantas utilizan el tratamiento terciario, pero muchas lo hacen cuando necesitan que sus aguas residuales cumplan una determinada norma.

1. Tratamiento previo

El pretratamiento utiliza principalmente procesos físicos como la filtración y la decantación para eliminar las partículas sólidas más grandes de las aguas residuales.

Durante el pretratamiento, las aguas residuales fluyen hacia los depósitos y balsas de tratamiento como afluente. Las rejillas de barras grandes filtran los elementos de mayor tamaño, como ramas de árboles, hojas y restos de plástico. Los tanques de ecualización (tanques EQ) regulan el caudal de agua para favorecer la sedimentación, y los desarenadores permiten la precipitación de pequeñas partículas como suciedad, arena, grava, posos de café y cáscaras de huevo.

El pretratamiento suele variar en función del tipo de aguas residuales. Si las aguas residuales contienen un alto volumen de grasa, la depuradora puede eliminar esas impurezas de la superficie del agua durante el pretratamiento o utilizar soplantes para crear una espuma grasa fácil de eliminar. Otras plantas pueden dejar estos pasos para el tratamiento primario.

El tratamiento de las aguas residuales industriales también puede utilizar métodos de pretratamiento químico en lugar de métodos físicos. Estos procesos suelen modificar el pH del agua o alterar las estructuras de las impurezas que contiene. El resultado es que las partículas de residuos sólidos se adhieren entre sí y forman compuestos de residuos más pesados que se precipitan más fácilmente. Estos procesos se conocen como coagulación y floculación.

2. Tratamiento primario

El siguiente proceso de la depuradora es el tratamiento primario. Su principal objetivo es utilizar la gravedad y procesos físicos continuados para eliminar los sólidos de las aguas residuales.

Durante el tratamiento primario de las aguas residuales, el agua pretratada se acumula en los clarificadores primarios. El agua residual se deja reposar durante un tiempo para que puedan precipitarse más impurezas. Los equipos mecánicos de rascado pueden recoger parte de la materia sólida y enviarla hacia los equipos de tratamiento de fangos para que forme parte del proceso de fangos activados, del que hablaremos un poco más adelante.

Si la planta no eliminó el aceite y la grasa durante el pretratamiento, lo hará durante el tratamiento primario mediante el desnatado de estas grasas de la superficie. Algunas plantas añaden sustancias alcalinas a las grasas desnatadas en un proceso conocido como saponificación. Hacerlo es el primer paso para producir jabones y glicerol.

3. Tratamiento secundario

El tratamiento secundario de las aguas residuales utiliza procesos bacterianos en lugar de físicos. Utiliza microorganismos beneficiosos para descomponer más impurezas sólidas de las aguas residuales.

El tratamiento secundario adopta varias formas principales.

Tratamiento anóxico

El tratamiento anóxico tiene lugar en ausencia de oxígeno molecular libre, aunque puede haber algo de oxígeno en forma de nitratos, nitritos o sulfatos. Este proceso se utiliza a menudo para la desnitrificación de aguas residuales con alto contenido en nitrógeno. Utiliza microbios que no necesitan oxígeno para sus procesos metabólicos.

¿Cómo funciona la desnitrificación anóxica? Por lo general, el nitrógeno de las aguas residuales debe estar en forma de nitrato (NO3). La planta puede convertir el nitrógeno en nitrato mediante un filtro percolador o un sistema de crecimiento en suspensión. Para evitar que el oxígeno molecular interfiera en el proceso, las plantas suelen utilizar reactores herméticamente cerrados para sus tratamientos anóxicos. Los microorganismos consumen el nitrógeno del nitrato, dejando sólo las moléculas de oxígeno.

Tratamiento anaeróbico

El tratamiento anaeróbico también tiene lugar en ausencia de oxígeno. A diferencia del tratamiento anóxico, en el que el oxígeno molecular está ausente pero el oxígeno ligado puede estar presente en otros compuestos, el tratamiento anaeróbico se produce en ausencia de todas las formas de oxígeno. El tratamiento anaeróbico suele utilizar lagunas de digestión cubiertas en las que las bacterias anaeróbicas pueden descomponer los residuos orgánicos.

El tratamiento aeróbico es útil para las aguas residuales con una concentración especialmente alta de sólidos biodegradables, por ejemplo, las aguas residuales municipales concentradas, los purines de estiércol animal y las aguas residuales de la industria alimentaria. Al igual que el tratamiento anóxico, también consume menos energía que el tratamiento aerobio porque no requiere equipos para mezclar el oxígeno con las aguas residuales.

Una ventaja adicional de la digestión anaerobia es que tiende a producir metano, junto con otros subproductos del biogás como el dióxido de carbono y el vapor de agua. Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales pueden aislar el metano para reutilizarlo como combustible, a veces incluso para alimentar la planta.

El tratamiento aeróbico se produce en presencia de oxígeno porque los microorganismos implicados necesitan oxígeno para sus procesos metabólicos.

Para que el tratamiento aeróbico tenga lugar, la depuradora debe contar con un equipo que pueda suministrar oxígeno e incorporarlo a las aguas residuales en un proceso conocido como aireación. La planta puede tener lagunas con aireadores de superficie para mezclar aire en el agua. O puede utilizar tanques de aireación llenos de membrana de caucho o difusores cerámicos, a menudo difusores en forma de disco o de tubo. El aire fluye a través de tuberías situadas en el suelo del tanque y entra en los difusores, que contienen numerosas pequeñas perforaciones. Estas perforaciones emiten el aire en forma de pequeñas burbujas. A medida que las burbujas ascienden por la columna de agua, facilitan la transferencia de oxígeno y la digestión aeróbica.

Algunas plantas utilizan filtros de medios para la digestión aeróbica. Una forma común de sistema de filtro de medios es el sistema de reactor de biopelícula de lecho móvil Sistemas de tratamiento de aguas residuales con reactores de biopelícula de lecho móvil (MBBR) (MBBR). Un sistema MBBR utiliza un recipiente lleno de miles de diminutas piezas de plástico. Las piezas ocupan una parte importante del volumen de la cuenca, a menudo entre el 50 y el 70% ( ).

El diseño de las piezas del medio es óptimo para favorecer el crecimiento bacteriano. Las piezas parecen ruedas con muchos radios pequeños. Esta forma intrincada proporciona una superficie extensa y hospitalaria para que crezcan las bacterias. Una vez que las bacterias se han arraigado, forman una biopelícula resbaladiza en las piezas de soporte. Las piezas también tienen una densidad similar a la del agua, por lo que pueden suspenderse en toda la columna de agua para aprovechar al máximo el espacio disponible. Esta disposición ayuda a las bacterias a entrar en contacto con la mayor cantidad posible de residuos para favorecer una digestión eficaz y reducir el tiempo de retención hidráulica.

Las plantas también suelen utilizar el tratamiento de lodos activados, que es uno de los procesos aeróbicos más comunes. Funciona utilizando conjuntamente la aireación y la floculación.

Como hemos visto, las aguas residuales entran en un tanque de aireación y se mezclan con el agua durante la aireación. A continuación, las aguas residuales pasan a un decantador o clarificador secundario. Allí, parte de los biosólidos se aglutinan y se depositan en el fondo del tanque, formando lo que la industria de residuos denomina flóculos, o una manta de lodos. A continuación, la planta puede bombear el manto de lodos de nuevo al tanque de aireación. Los numerosos microorganismos que contienen los lodos ayudarán a descomponer más residuos.

El tratamiento de los lodos activados requiere mucho espacio en la planta y consume mucha energía. Sin embargo, es muy fiable y adecuada para muchas cargas de residuos diferentes, por lo que es una herramienta excepcionalmente eficaz.

El tratamiento terciario proporciona filtración y desinfección adicionales. A diferencia del tratamiento primario y secundario, que tienen lugar en la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, el tratamiento terciario suele ser opcional. Las plantas suelen utilizarlo cuando deben cumplir requisitos especialmente estrictos para sus efluentes.

El tratamiento terciario puede basarse en varios procesos diferentes: primero la filtración y después algún tipo de desinfección:

• Filtración:El tratamiento terciario suele utilizar filtros como los de arena o los de adsorción de carbono para eliminar las impurezas persistentes de las aguas residuales. Estos filtros pueden ser de disco, de bolsa, de fibra activada granulada (CAG) o de tambor.
• Cloración: Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales añaden cloro al agua para esterilizarla. El uso de cloro es rentable, por lo que muchas plantas municipales confían en este método.
• Desinfección ultravioleta (UV): El tratamiento terciario también puede utilizar luz ultravioleta para destruir o esterilizar los microorganismos restantes en las aguas residuales y hacerlos inofensivos.
• Tratamiento con ozono: Algunas plantas de tratamiento de aguas residuales también utilizan el tratamiento con ozono para desinfectar. El tratamiento con ozono es más eficaz que el cloro, pero es caro, requiere equipos especiales resistentes a la corrosión y produce gases tóxicos, por lo que las plantas deben sopesar cuidadosamente los costes y beneficios de este tratamiento.
• Intercambio iónico: El tratamiento terciario también puede implicar el uso de intercambio iónico, que sustituye iones inofensivos por otros no deseados, del mismo modo que un ablandador de agua doméstico sustituye los indeseables iones de calcio y magnesio por los inofensivos iones de sodio.

Una vez que las aguas residuales cumplen los requisitos reglamentarios aplicables, las depuradoras pueden devolver el agua tratada al medio ambiente en forma de efluente. El efluente se mezcla con las aguas superficiales o subterráneas existentes. En esa forma, algún día podrá reutilizarse para riego o procesos industriales o enviarse a tratamiento y utilizarse como agua potable.

En algunos casos, si las aguas residuales se han sometido a un tratamiento terciario, la planta puede reciclar el agua, enviándola para su reutilización en procesos industriales o agrícolas con un uso intensivo de agua.

El alcantarillado municipal son las aguas residuales que los hogares y los edificios comerciales producen a través de sus actividades diarias. Estas aguas residuales proceden de lavabos, duchas, inodoros de estructuras como casas, apartamentos, restaurantes, hospitales y edificios de oficinas.

Las aguas residuales domésticas contienen aproximadamente 99,9% de agua en peso. En las etapas de suspensión SSI, el 0,1% restante está formado por sólidos disueltos y en suspensión que la depuradora debe eliminar. Aunque esta cifra es muy pequeña, los sólidos disueltos y en suspensión contienen microbios que serían perjudiciales para la salud humana y el ecosistema local si se vertieran al medio ambiente sin tratar. Los sólidos también suelen contener jabones, detergentes, nutrientes vegetales y otras materias orgánicas.

2. Aguas residuales industriales

Las aguas residuales industriales son las sobrantes de los procesos industriales. Muchos procesos de fabricación requieren agua, y esa agua se convierte en aguas residuales una vez finalizada la producción.

Las aguas residuales industriales suelen contener una concentración muy elevada de compuestos químicos fácilmente identificables. Las plantas de tratamiento de aguas residuales especializadas, conocidas como plantas de tratamiento de efluentes (PTE), son útiles para tratar los efluentes químicos que salen de los procesos de fabricación industrial.

Las aguas residuales industriales pueden adoptar formas muy diversas. A continuación se enumeran algunas industrias que producen grandes volúmenes de aguas residuales industriales.

Fabricación farmacéutica

Las aguas residuales farmacéuticas proceden de la fabricación de medicamentos. Estas aguas residuales son muy complejas y suelen tener un alto contenido químico. Contiene compuestos farmacéuticamente activos, incluidos antibióticos, hormonas, tensioactivos y compuestos orgánicos volátiles (COV) que podrían ser peligrosos para la salud humana y el medio ambiente si se vierten accidentalmente. Los antibióticos son especialmente preocupantes por su potencial para dar lugar a cepas de bacterias resistentes a los antibióticos.

Los residuos de medicamentos de los residuos farmacéuticos también suelen tener una demanda biológica de oxígeno (DBO) y una demanda química de oxígeno (DQO) elevadas.

Las fábricas textiles producen grandes volúmenes de aguas residuales químicas a través de procesos como el blanqueo, el teñido, la ignifugación y la impermeabilización. La limpieza y el acabado de la lana y la fabricación de hilo también suelen generar aguas residuales químicas.

Las aguas residuales textiles suelen tener una DBO elevada y contienen sustancias como aceites y grasas, cromo, fenoles y sulfuros. En el tratamiento de la lana, las aguas residuales suelen contener grasas animales, así como pesticidas con los que hayan estado en contacto las ovejas.

Las plantas de tintura textil utilizan diversos colorantes, como colorantes ácidos, colorantes básicos, colorantes directos, colorantes mordientes, colorantes pigmentarios, colorantes disolventes y colorantes de cuba, que aportan un conjunto totalmente distinto de contaminantes a sus aguas residuales. Las aguas residuales también pueden incluir sustancias como tampones del pH y aceleradores del tinte. Las aguas residuales de la tintura textil suelen contener metales pesados, aceites y grasas, fenoles y sulfuros. 

Fabricación de pasta y papel

El efluente de la fabricación de pasta y papel suele tener una elevada DBO y contener altas concentraciones de sólidos en suspensión. Si el blanqueo ha formado parte del proceso de fabricación, las aguas residuales suelen tener una DQO elevada e incluyen sustancias como cloroformo, dioxinas, furanos y fenoles.

Refino de petróleo y fabricación de productos petroquímicos

El refinado del petróleo y la fabricación de productos petroquímicos, como todos los procesos que tratan con materias primas extraídas de la tierra, tienden a producir residuos con altas concentraciones de metales pesados, como arsénico, cadmio, cromo, plomo, mercurio y nitratos y nitritos. Estas aguas residuales también suelen tener una DBO elevada y contienen impurezas como amoníaco, cromo, fenoles, sulfuros, aceites y grasas y diversos sólidos en suspensión.

Las centrales eléctricas que dependen de combustibles fósiles para generar electricidad suelen producir enormes volúmenes de aguas residuales, que a menudo incluyen altas concentraciones de metales pesados. Procesos como la desulfuración de gases de combustión y el control del mercurio contribuyen a esta producción de aguas residuales. Si la planta dispone de depuradores húmedos o dispositivos similares de control de la contaminación, los contaminantes capturados suelen acabar también en el flujo de aguas residuales. 

Procesado de alimentos y bebidas

Las aguas residuales del procesado de alimentos y bebidas tienen características únicas. Tiene un bajo contenido químico y es no tóxico y altamente biodegradable, aunque tiende a tener un alto contenido de sólidos en suspensión y una alta DBO.

La composición de las aguas residuales del procesado de alimentos y bebidas suele variar mucho según el tipo de producción. El agua procedente del lavado y procesado de hortalizas suele contener una alta concentración de materia orgánica y partículas. Por otro lado, el agua procedente del procesado de productos lácteos contiene altos niveles de grasas, azúcares y otros sólidos en suspensión. Y el agua procedente del procesado de la carne suele contener grasas, sangre, aceite y grasa, así como nitrógeno y bacterias coliformes procedentes de los intestinos.

Otras actividades de procesamiento de alimentos y bebidas, como el embotellado, el lavado de productos y la limpieza de superficies, generan aguas residuales adicionales.

3. Aguas pluviales

Las aguas pluviales son las que se vierten al alcantarillado de la ciudad tras las precipitaciones. Las aguas pluviales suelen incluir una alta concentración de residuos como suciedad y ramas. También contiene una alta concentración de materia orgánica que el agua recoge al arrastrarla por el suelo.

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