Eliminación del fósforo: Cómo eliminar el fósforo de las aguas residuales

La eliminación del fósforo de las aguas residuales es esencial para garantizar la seguridad y la salud de los ciudadanos y proteger el medio ambiente. Los niveles elevados de fósforo pueden ser peligrosos para la fauna local. Eliminar el fósforo del agua puede prevenir la eutrofización, causante de la proliferación de algas. Aunque pueda parecer un proceso natural, la proliferación de algas a gran escala agota el oxígeno del agua, provoca zonas muertas y asfixia los ecosistemas. Una alteración de las poblaciones marinas puede repercutir en el suministro de alimentos para los animales terrestres de mayor tamaño.

El fósforo también supone un riesgo para la seguridad de nuestra agua potable. Es importante implantar sistemas de eliminación de fósforo para proteger el bienestar de los ecosistemas y el agua potable. Lea esta guía sobre cómo eliminar el fósforo del agua y obtenga más información sobre cálculos y técnicas de eliminación del fósforo.

Aunque el fósforo es un elemento necesario, unos niveles elevados de fósforo pueden provocar múltiples complicaciones medioambientales en arroyos, lagos, ríos y zonas costeras. Un problema típico causado por el elevado nivel de fósforo en las fuentes naturales de agua es la eutrofización, una estimulación desenfrenada de algas y otras plantas que provoca el agotamiento del oxígeno en el agua. Estas zonas de agotamiento del oxígeno en el agua se conocen como zonas muertas.

Las zonas muertas dañarán y matarán diversas formas de vida acuática, agotando tanto la fauna como la flora. las "muertes de peces" suelen deberse a estas zonas muertas, cuando no hay suficiente oxígeno en el agua para que los peces sobrevivan. Esto puede ocurrir rápidamente. Un ecosistema marino sano puede convertirse en una zona muerta con cientos o miles de peces muertos en cuestión de días por la introducción de niveles elevados de fósforo.

Cuando el agua es consumida, tanto por animales como por humanos, las toxinas de las algas pueden ser perjudiciales. La eliminación del fósforo es esencial para el agua potable. Además, nadar en las aguas de algas puede causar irritaciones cutáneas y enfermedades.

Las aguas residuales contienen concentraciones muy elevadas de fósforo. Por lo tanto, antes de verter el agua a los arroyos y ríos locales (donde también puede fluir a las plantas de agua potable aguas abajo), es imperativo que el fósforo se reduzca a niveles seguros. Afortunadamente, existen numerosos métodos de tratamiento que pueden eliminar el fósforo de forma eficaz y efectiva.

Existen varias formas de eliminación de fósforo, el sistema más eficaz dependerá de las características de las aguas residuales, la infraestructura existente en la instalación de tratamiento, y el nivel de fósforo del efluente requerido. También hay que tener en cuenta el presupuesto del proyecto, el mantenimiento del operador y la forma del fósforo. Los sistemas de eliminación de fósforo pueden dividirse en 3 tipos: sistemas de tratamiento químico, biológico y físico.

Precipitación química

La precipitación química, también conocida como eliminación química de fósforo o eliminación primaria de fósforo, puede eliminar los fosfatos inorgánicos del agua añadiendo un coagulante a las aguas residuales. Durante la precipitación química, el aluminio, el calcio o el hierro pueden utilizarse como iones metálicos multivalentes para formar un precipitado de fósforo, que luego se sedimentará en las aguas residuales.

Un aditivo químico habitual es la cal, Ca(OH)2, que contiene calcio. La cal reacciona con la alcalinidad natural de las aguas residuales para crear carbonato cálcico y aumentar el pH del agua. Una vez que el valor del pH de las aguas residuales haya aumentado por encima de 10, los iones de calcio reaccionarán con el fosfato y precipitarán en forma de hidroxiapatita (un fosfato de calcio).

Esta reacción se produce entre la cal y la alcalinidad de las aguas residuales, lo que significa que la cantidad necesaria será independiente de la cantidad de fosfato presente en el agua. En cambio, depende en gran medida de los niveles de alcalinidad y pH de las aguas residuales. La dosis total de cal necesaria puede medirse como 1,5 veces la alcalinidad en CaCO3. Después de este proceso, puede ser necesario neutralizar las aguas residuales para reducir los niveles de pH antes de proceder a otros tratamientos o a su eliminación.

El aluminio o el sulfato de aluminio hidratado también se utilizan habitualmente para precipitar los fosfatos. La dosis total depende directamente del nivel de eliminación de fósforo necesario. La eficacia global de la coagulación desciende a medida que disminuye la concentración de fósforo.

Las dosis necesarias pueden determinarse principalmente mediante pruebas a escala de banco y verificarse después durante las pruebas a escala real. Se recomienda realizar las pruebas en muestras reales de aguas residuales (no en imitaciones de agua creadas en el laboratorio) debido a las interacciones químicas y de polímeros con otros componentes de las aguas residuales. Los coagulantes de aluminio pueden afectar negativamente a los niveles microbianos de los lodos activados, incluidos los rotíferos y protozoos, cuando las dosis superan los 150 mg/l.

El cloruro o sulfato férrico también se utiliza habitualmente durante la dosificación férrica para la eliminación de fósforo. Durante la eliminación de los fósforos, los iones férricos pueden combinarse, creando fosfato férrico. Los iones férricos reaccionan con la alcalinidad natural y puede añadirse un coagulante, como la cal, para elevar el pH y mejorar el proceso de coagulación.

Eliminación biológica

El proceso de eliminación biológica de fósforo, también conocido como eliminación secundaria de fósforo, es una forma eficaz de filtración para la eliminación de fósforo. Algunas de las principales ventajas de la eliminación biológica del fósforo del agua son la disminución de la producción de lodos y la reducción de los costes químicos en comparación con la precipitación química tradicional. La eliminación biológica del fósforo consiste en que las bacterias incorporan el fósforo a su biomasa celular, lo que ayuda a eliminar el fósforo en el proceso de desecho de los lodos.

La configuración del reactor proporciona a los organismos acumuladores de polifosfato (PAO) una ventaja única frente a otras bacterias, ya que anima a los PAO a crecer y consumir el fósforo presente. En las implementaciones de eliminación biológica, hay un tanque anaeróbico antes del tanque de aireación. En estas condiciones únicas, el PAO se enriquece en la comunidad bacteriana de los lodos activados.

En la siguiente fase aeróbica, las bacterias pueden acumular y procesar grandes cantidades de polifosfato en sus células, eliminando eficazmente el fósforo. En general, todas las formas de bacterias contienen una pequeña cantidad de fósforo en su biomasa debido a diversos componentes celulares, como el ácido desoxirribonucleico (ADN) y los fosfolípidos de membrana.

A medida que las bacterias de las aguas residuales consuman y procesen estos nutrientes, seguirán creciendo, incorporando fósforo a su biomasa bacteriana. A medida que las PAO se desarrollan, también acumulan grandes cantidades de polifosfato dentro de sus células.

Eliminación física

La eliminación física de fósforo puede utilizarse de forma independiente o en combinación con otros tipos de eliminación de fósforo. Los principales tipos de eliminación física, también del fósforo de las aguas residuales, también conocida como eliminación de fósforo terciario, incluyen las tecnologías de membrana y la filtración de arena. Un ejemplo de eliminación física del fósforo consiste en reequipar las plantas de aguas residuales con una tecnología de membrana para partículas de fósforo.

Esta tecnología de partículas es ideal para proyectos a largo plazo, que tienen más probabilidades de beneficiarse de esta solución rentable con el paso del tiempo. Las tecnologías de membrana tienden a tener un coste de inversión de capital más elevado, lo que significa que puede llevar muchos años rentabilizar la inversión. Por este motivo, los métodos de eliminación química pueden ser inicialmente más rentables y fáciles de aplicar.

La eliminación química del fósforo es un proceso de tratamiento de aguas residuales Funcionamiento de las depuradoras de aguas residuales: Modelos de tratamiento de aguas residuales que utiliza sales de hierro, calcio o aluminio para eliminar el fósforo del agua. Los fosfatos crean precipitados con iones metálicos y se eliminan con los lodos en la unidad de separación. El tratamiento químico para el fósforo es uno de los métodos más comunes para eliminar el fósforo y cumplir con las concentraciones de efluentes por debajo de 1,0 mg/L.

La eliminación química del fósforo suele ser menos complicada que los procesos biológicos de eliminación. El diseño del tratamiento químico consiste en un balance de masas entre la adición de productos químicos y la concentración de fósforo tras la introducción de los mismos. Algunas de las ventajas e inconvenientes de la eliminación química del fósforo son:

Pros

La eliminación química del fósforo es uno de los tratamientos del fósforo más eficaces y utilizados, que suele realizarse con coagulantes de hierro y aluminio. A menudo es necesario eliminar el fósforo mediante tratamientos especiales específicos, como los tratamientos químicos, para corregir los problemas de eutrofización. Algunas de las principales ventajas de la eliminación química del fósforo son:

• Eficaz: La eliminación química del fósforo es un tratamiento eficaz para eliminar los altos niveles de fósforo del agua. Los tratamientos químicos pueden crear lodos más densos y fáciles de deshidratar, que requieren menos polímeros. Otra ventaja es la menor cantidad de productos químicos tóxicos y corrosivos, lo que hace que la planta de agua sea más limpia y segura.
• Eficaces: Los tratamientos químicos de eliminación de fósforo también son muy eficientes y permiten la eliminación de fosfatos en una amplia gama de valores de pH, especialmente en comparación con los coagulantes tradicionales. Otra ventaja es la mejora de la sedimentación y la limpieza de los clarificadores.
• Rentables: Los tratamientos químicos son también uno de los tratamientos de eliminación de fósforo más rentables, especialmente a corto plazo. Aunque la eliminación biológica del fósforo también es rentable, este retorno de la inversión no se experimenta hasta pasados unos años y requiere una inversión a largo plazo para ser beneficiosa. La eliminación química del fósforo es más rentable a corto plazo y puede minimizar los gastos totales, ayudando a rentabilizar la inversión mucho antes.
• control del pH: Por último, la eliminación química del fósforo también permite un mayor nivel de control del pH, lo que significa que hay poca necesidad de aumentar con sosa cáustica en un intento de conservar la alcalinidad para la nitrificación o aplicar ajustes para los límites finales de descarga de pH.

Contras

Aunque los sistemas químicos de eliminación de fósforo presentan numerosas ventajas, también hay que tener en cuenta algunos inconvenientes. Algunos de los contras más comunes asociados a la eliminación química del fósforo son:

• Inversión inicial: Con cualquier tratamiento de fósforo, tendrá que considerar los costes totales que implican estos sistemas. Deberá tener en cuenta el coste del sistema de alimentación química. Además de esta estructura de base, también hay que determinar y evaluar los costes totales de los productos químicos necesarios para este sistema.
• Eliminación de lodos químicos: Un sistema químico de eliminación de fósforo puede dificultar la reutilización o eliminación de lodos químicos.
• Reliberación de fósforo: En algunos casos, la digestión, concretamente la digestión anaerobia, puede dar lugar a la liberación de fósforo.

Existen numerosos sistemas químicos que pueden eliminar el fósforo del agua, como la dosificación química para favorecer la precipitación de p, los medios absorbentes para la eliminación de p y las tecnologías de intercambio iónico.

Dosificación química para promover la precipitación de P

Una de las opciones más comunes de eliminación química del fósforo es la dosificación química para promover la precipitación de p. La dosificación con sales metálicas al reactor de lodos activados convencionales pretratados o a las salidas de un clarificador secundario puede eliminar eficazmente el fósforo del agua.

Durante la dosificación química, la adición de sal ayuda a precipitar el fósforo en el agua, y los residuos o sólidos resultantes pueden eliminarse eficazmente mediante decantación o un sistema de filtración. Los precipitados resultantes tienen un alto contenido en fósforo, pero la separación del fósforo unido químicamente puede ser más difícil. Esto significa que es improbable una recuperación eficiente y eficaz del fosfato para su uso posterior. Debido a ello, existe una desventaja potencial con respecto a otros sistemas biológicos de eliminación de fósforo, ya que puede reducir los beneficios económicos globales de los usos aguas abajo de los lodos ricos en fósforo.

Los índices de eliminación de fósforo suelen ser proporcionales a la cantidad de productos químicos añadidos, lo que influye en el número total de sólidos producidos. Por ello, la cantidad de sal utilizada y el método empleado para la separación de los sólidos resultan rentables.

En algunos casos, pueden utilizarse técnicas adicionales, como la floculación terciaria con lastre y la filtración, además de la dosificación de sal para conseguir niveles más bajos de fósforo en el efluente con menos adición de sal. En la mayoría de los casos, la dosificación química es fiable, eficaz y ampliamente utilizada, lo que la convierte en una de las técnicas más empleadas. Aunque la dosificación química es eficaz, puede no ser ideal para plantas o proyectos más pequeños.

Medios de absorción para la eliminación de P

La eliminación de fósforo también puede lograrse utilizando medios activos. Los filtros de medios reactivos se basan en procesos de sorción de fósforo del material para reducir los niveles de fósforo de una manera más específica y refinada en lugar de utilizar un medio filtrante. Los medios de absorción se crean a partir de residuos industriales, productos artificiales o productos naturales. Un producto disponible comercialmente para este proceso es Polonite, que ha demostrado alcanzar altos índices de eliminación de fosfatos.

El fósforo se elimina con un medio filtrante durante el proceso de precipitación directa o sorción, que implica el movimiento del fósforo inorgánico de las aguas residuales a la superficie de los componentes reactivos dentro del medio. Por lo tanto, la capacidad de eliminación de fósforo depende del contenido mineral del medio. Mientras que las primeras aplicaciones de la eliminación de p giraban en torno a medios sortivos que utilizaban grava y arenas de origen local. Las innovaciones recientes han desarrollado numerosos materiales artificiales y naturales para la aplicación de este procedimiento a menor escala.

Tecnologías de intercambio iónico

Las tecnologías de intercambio iónico son un proceso bien establecido y fiable utilizado en la desionización o desalinización del agua. Además, el intercambio iónico también es útil para eliminar el fósforo de las aguas residuales. Aunque las tecnologías de intercambio iónico pueden no ser tan comunes como otras técnicas químicas de eliminación de fósforo, esta tecnología sigue siendo muy eficaz y eficiente en determinadas situaciones.

La forma más común de fósforo en las aguas residuales es la aniónica. Los iones fosfato se intercambian de forma reversible entre el intercambiador de iones sólido y el agua residual líquida, lo que ayuda a su eliminación y recuperación. Los particulares inmovilizados del catión metálico forman la base polimérica de intercambio donde se colocan las nanopartículas p-selectivas. Este enfoque ayuda a la selección de aniones p en el agua frente a otros iones, incluidos cloruros o sulfatos.

Algunas de las opciones de sistemas biológicos más comunes incluyen la identificación de PAO, el metabolismo de PAO, la eliminación biológica mejorada de fósforo (EBPR) tradicional, los sistemas EBPR novedosos y los sistemas EBPR potenciales.

Identificación de PAO

La eliminación biológica de fósforo se produce normalmente con la acumulación de fósforo por microorganismos que van más allá de las necesidades típicas de los procesos metabólicos. El fósforo se presenta en forma de polifosfato y se retiene como reserva de energía para proporcionar una ventaja competitiva frente a los heterótrofos o para su mantenimiento.

Por ello, los OAP suelen competir con otros organismos. Una excepción es la presencia de organismos acumuladores de glucógeno (OAG). Uno de los PAO más ampliamente estudiados y utilizados incluye los candidatos accumulibacter fosfatos y se utiliza como base para la mayoría de los modelos metabólicos. Accumulibacter se considera el PAO predominante en los sistemas EPBR eficientes.

Metabolismo de la PAO

El desarrollo de PAO puede fomentarse optimizando diversas condiciones de funcionamiento, incluidas las fases aeróbica o anóxica y cíclica. En condiciones anaerobias, la PAO capta los ácidos grasos volátiles mediante transporte secundario y los almacena como polihidroxialcanoatos (PHA). La energía necesaria para este proceso se obtiene del trifosfato de adenosina (ATP), que se crea mediante la degradación del glucógeno y del polifosfato almacenado internamente.

Cuando el polifosfato se descompone, libera ortofosfato en el líquido a granel. Cuando la PHA se crea en condiciones anaeróbicas, requiere el equivalente de reducción de la nicotinamida adenina dinucleótido (NADH), que se proporciona a través de la glucólisis o el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). Se ha demostrado que el uso de la glucólisis proporciona tasas de eliminación de fósforo eficientes y eficaces.