Tratamiento Terciario y Secundario de Aguas Residuales: Procesos, Desinfección y Tratamiento de Lodos

Tratamiento Terciario de Aguas Residuales

1. Indica qué materias se pueden eliminar en un tratamiento terciario

El objetivo del tratamiento terciario en aguas residuales urbanas es la eliminación de los contaminantes residuales que no hayan sido eficazmente depurados. Entre ellos se encuentran:

• Sólidos en suspensión y materia orgánica biodegradable (DBO).
• Compuestos orgánicos disueltos no biodegradables (refractarios).
• Bionutrientes (compuestos de nitrógeno y fósforo) disueltos.
• Sales disueltas.

2. Indica de qué forma se eliminan los compuestos orgánicos no biodegradables

Los métodos a utilizar son costosos y poco empleados en aguas urbanas, siendo los más frecuentes:

• Adsorción sobre carbón activado: se trata de un fenómeno de superficie por el cual los compuestos a adsorber se fijan sobre el carbón activo por iones físico-químicos. En el proceso también pueden ser retenidos incluso los metales pesados.
• Oxidación química: también pueden eliminarse compuestos orgánicos, procediendo a su oxidación con agentes tales como el peróxido de hidrógeno o el ozono, que son potentes agentes oxidantes debido a sus reacciones de descomposición.

3. ¿Qué bionutrientes existen en el tratamiento terciario y por qué es necesaria su eliminación?

El nitrógeno y el fósforo, tanto inorgánicos como orgánicos, se han transformado en las etapas anteriores del tratamiento a las formas ion amonio (NH₄⁺), amonio (NH₃), nitrito (NO₂^-), nitrato (NO₃^-) y fosfato (PO₄^3-), respectivamente.

4. Indica los tratamientos posibles para la eliminación de nutrientes y explícalos

1. Métodos químicos

Eliminación de nitrógeno: se puede utilizar un proceso de tipo químico para la eliminación del nitrógeno no presente en forma amoniacal. Se lleva a cabo por disociación del ion amonio, en medio básico, a amoniaco molecular gaseoso; el valor adecuado del pH para ello puede lograrse por adición de cal.

Eliminación de fósforo: el fósforo, en forma de fosfatos, se puede eliminar por precipitación con reactivos que forman sales insolubles, tales como las de aluminio o hierro (III).

2. Métodos biológicos

Eliminación de nitrógeno: se ha comentado que la mineralización total del nitrógeno orgánico y amoniacal necesita un tiempo superior al de la materia carbonada y condiciones específicas que no se dan en los métodos biológicos convencionales. Por ello, en general, en las aguas residuales tratadas se baja la cantidad de nitrógeno que llega a oxidarse a ion nitrato. Aun en el caso de métodos de tratamiento biológico que consiguen en mayor proporción la eliminación de nitrógeno total del agua, esta se produce en bajo porcentaje.

Eliminación de fósforo: el objetivo es desarrollar una clase de bacterias eliminadoras de fósforo (BF), denominadas organismos Polyp (bacterias Acinetobacter y algunas Pseudomonas), que acumulan fósforo en forma de polifosfatos en una cantidad superior a las bacterias predominantes en los procesos convencionales. Las bacterias de tipo Polyp se caracterizan porque asimilan cantidades importantes de fosfatos del agua en condiciones aerobias y los liberan en medio anaerobio.

5. Indica las formas de eliminación de las sales en las aguas

Ninguna de las operaciones que constituyen los tratamientos primario y secundario va dirigida específicamente a la eliminación de sales minerales disueltas, por lo que el porcentaje de reducción en los efluentes es muy bajo.

Los métodos a emplear, señalados en la potabilización de aguas a partir de aguas de mar, como la destilación, el intercambio iónico y los procesos de membrana, podrían ser utilizados desde un punto de vista teórico. En aguas residuales urbanas los más utilizados son algunos de los procesos de membrana.

6. Explica con detalle las distintas formas de eliminación de las sales

Tratamiento Secundario

1. ¿Qué objetivo tiene el tratamiento secundario?

Tiene como objetivo fundamental la eliminación de materia orgánica biodegradable presente en forma disuelta y coloidal. Tiene lugar a través de un proceso biológico, mediante microorganismos que actúan en condiciones controladas. Consta de dos procesos: uno de naturaleza bioquímica, en el que, a través de reacciones metabólicas, se produce la degradación y mineralización de la materia orgánica (catabolismo), generando nuevas células (anabolismo); y otro de naturaleza físico-química, durante el cual se produce la decantación de los llamados fangos secundarios, compuestos fundamentalmente de biomasa (microorganismos vivos y muertos).

2. ¿De cuántos procesos consta este tratamiento?

Existen dos métodos básicos de tratamiento secundario que pueden aplicarse: los lechos bacterianos y los fangos activados. En estos tipos de tratamiento se emplean cultivos biológicos para conseguir la descomposición aerobia y oxidación de la materia orgánica, pasando a compuestos más estables. Se obtiene así un mayor rendimiento que el alcanzado por la sedimentación primaria y por la depuración de tipo químico.

Aunque los lechos bacterianos y los fangos activados se basan en la acción de organismos aerobios para llevar a cabo la descomposición, existe entre ellos una diferencia operacional. En los lechos, los organismos están adheridos al medio de fijación y hacia ellos se dirige el material orgánico a transformar. En cambio, en el proceso de fangos activados son los organismos los que buscan la materia orgánica de las aguas negras. En ambos casos, el éxito de la operación radica en mantener las condiciones aerobias, necesarias para el ciclo vital de los organismos, y en controlar la cantidad de materia orgánica que descomponen. La materia orgánica es el alimento que sustenta a estos organismos, y su deficiencia disminuye tanto por la sobrealimentación como por la alimentación deficiente o no equilibrada.

4. ¿Qué microorganismos intervienen en el proceso?

Autótrofos: utilizan CO₂ y sustancias minerales; pueden ser fototrofos (la energía que necesitan puede ser radiación solar) o quimiotrofos (obtienen energía de reacciones de oxidación-reducción). Ejemplo: Nitrosomonas y Nitrobacter.

Heterótrofos: utilizan carbono orgánico para alimentarse, aprovechando la energía desprendida en la degradación de la materia orgánica.

La biomasa que se desarrolla durante el proceso de depuración está constituida por microorganismos consumidores de materia orgánica, fundamentalmente bacterias y hongos; algas, que son microorganismos autótrofos; y organismos depredadores de los anteriores, como protozoos, rotíferos, crustáceos y nematodos.

5. ¿Qué métodos de aplicación existen para este tratamiento?

(Pregunta 2)

7. ¿Por qué se produce la depuración biológica en un lecho bacteriano?

8. ¿Cómo debe ser la distribución de agua en un lecho bacteriano?

Debe ser lo más uniforme y continua posible; por tanto, hay que evitar atascos y obstrucciones. Los aspersores pueden ser fijos o móviles. Los fijos requieren un dispositivo más complejo y, por tanto, una mayor pérdida de carga (alrededor de 2 m). Los móviles consisten en brazos giratorios dispuestos radialmente, con boquillas incorporadas y movidos por carga hidráulica; la pérdida necesaria es de 0,5 m. La velocidad es de 0,3 a 5 vueltas por minuto, dependiendo de la carga superficial.

9. Indica las características de la masa filtrante de un lecho bacteriano

Es conveniente que tenga la mayor superficie específica posible, para que pueda formarse mayor cantidad de película biológica. Pero esta característica hay que conjugarla con el índice de huecos, ya que estos serán los que permitirán el paso del aire y del agua. Su altura oscila entre 1,5 y 4 metros, siendo la más utilizada la de 2 m, aunque existen fórmulas teóricas que determinan la altura óptima. Los tamaños de árido usados oscilan de 4 a 8 cm. Los materiales soporte pueden ser naturales o artificiales; hay que cuidar la uniformidad del medio poroso, su durabilidad y resistencia. Los materiales más usados son la piedra silícea, el óxido y las puzolanas. Se busca conjugar la superficie y los huecos, de forma que se aumente el rendimiento por unidad de volumen. Se ha conseguido reducir el peso en un 95%, duplicando el índice de huecos y aumentando la superficie específica.

10. Indicar la entrada y salida de agua de un lecho bacteriano

No lo sé. No sé si se refiere a la recogida...

11. Indicar las reacciones en la depuración biológica aerobia

Reacción global, en el caso de degradación y mineralización total de la materia orgánica, conduce a especies oxidadas y a la formación de nuevos microorganismos:

Materia orgánica + O₂ + microorganismos aerobios → CO₂ + H₂O + NO₃^- + SO₄^2- + nuevos microorganismos aerobios

Las reacciones parciales que tienen lugar durante la etapa de tratamiento pueden desglosarse de la siguiente forma:

Reacciones de degradación con desprendimiento de energía (reacciones catabólicas)

Materia orgánica + O₂ + microorganismos → CO₂ + H₂O + NH₄⁺ + SO₄^2- + energía + microorganismos aerobios.

En la primera etapa se produce la degradación y mineralización de la materia carbonada y la amonificación del nitrógeno orgánico por la acción de bacterias de carácter heterótrofo. En la segunda etapa, que para completarse necesita mayor tiempo, tiene lugar la nitrificación de las formas amoniacales, con intervención de bacterias autótrofas (Nitrosomonas y Nitrobacter):

NH₄⁺ + O₂ ---Nitrosomonas---→ NO₂^- + 2H⁺ + H₂O

NO₂^- + O₂ ---Nitrobacter---→ NO₃^-

12. Indica la reacción de la síntesis celular

Son reacciones de carácter endotérmico, que utilizan la energía producida en los procesos de degradación y mineralización.

Materia orgánica + nutrientes + microorganismos + energía → nuevos microorganismos

Es necesaria la presencia de elementos nutrientes además de carbono orgánico, especies que en general son suficientes en las aguas residuales de origen urbano. Las necesidades de nutrientes mayoritarios cumplen aproximadamente la relación 100 de DBO / 5 de N y 1 de P. Por tanto, la reacción global que tiene lugar durante la depuración aerobia lleva tanto a los productos de degradación de la materia orgánica como al crecimiento y a la generación de nuevos microorganismos. Además, en todos los casos quedará parte de la materia orgánica sin degradar. El proceso de oxidación suele llevarse a cabo en los llamados reactores biológicos, y según la forma en que se dispongan la biomasa que se utiliza y el desarrollo del proceso, se consideran dos tipos de tratamiento:

• Biomasa de forma estacionaria: las bacterias se fijan en un soporte sólido; son métodos de filtros bacterianos, discos y contactores biológicos.
• Biomasa en suspensión: las bacterias se encuentran dispersas en el seno del agua residual; son los llamados métodos de fangos activados y lagunas de estabilización.

13. ¿Cómo se encuentra la biomasa en un lecho bacteriano?

Biomasa de forma estacionaria: las bacterias se fijan en un soporte sólido.

14. ¿Qué relación hay entre los nutrientes en la síntesis celular (respuesta 12)?

15. ¿En qué consiste un sistema de depuración mediante fangos activados?

La utilización de este método se remonta a 1914 en Inglaterra. La biomasa crece en suspensión en el seno del agua y se mantiene un aporte continuo de oxígeno para asegurar una buena biodegradación. Se consiguen rendimientos de eliminación de la DBO en torno al 90%. El agua residual entra en contacto con el fango que contiene la población bacteriana (fango activado), encargada de degradar la materia orgánica presente en la mezcla de agua residual y fango activado, que se produce en un tanque o cuba de aireación (reactor biológico), provisto de un sistema de aporte de oxígeno con aire u oxígeno puro. El tiempo de reacción en el tanque de aireación suele ser de unas 8 horas. Al cabo de dicho tiempo, el efluente del tanque de aireación pasa a un tanque de sedimentación (decantador secundario), que recoge el fango biológicamente activo. Parte de este se recircula al tanque de aireación para mantener la actividad biológica en el mismo y una concentración constante de microorganismos activos; y otra parte (microorganismos en exceso), formada por los microorganismos con un tiempo de residencia en el reactor, se elimina mediante la purga, formando los llamados lodos o fangos secundarios.

16. ¿Qué condiciones son necesarias para conseguir un buen fango activado?

No lo sé.

17. ¿Qué es el IVF y cuál es su valor aconsejable?

Es la fórmula; no la explico.

18. Indica los problemas y características de los siguientes fangos:

Voluminoso (bulking): se produce por la proliferación de organismos filamentosos (algas filamentosas), los cuales conducen a la formación de flóculos de fangos de baja densidad, con aspecto de algodón (baja decantabilidad), que se conoce como fango voluminoso o bulking. Corresponde a valores altos de IVF. Las causas de este fenómeno pueden ser: pH bajo, nivel de O₂ bajo o bajas concentraciones de nutrientes.

Ascendente: fenómeno que consiste en que un fango bien sedimentado flota o asciende hacia la superficie después de un período de sedimentación relativamente corto. Este proceso tiene lugar cuando se produce la desnitrificación de los nitritos y nitratos contenidos en el reactor, originándose nitrógeno gaseoso que arrastra hacia la superficie a los flóculos de fango.

Espuma y mal olor: en algunos casos se observa la formación de una espuma viscosa, marrón, que cubre los tanques de aireación y los decantadores secundarios, provocando malos olores y efluentes de baja calidad. La formación de dicha espuma parece estar asociada a la presencia de organismos filamentosos de crecimiento lento del tipo de los actinomicetos. Las causas más frecuentes son un exceso de detergentes o de aireación.

Puntas: parte de la biomasa presenta como pequeños flóculos que sedimentan con dificultad. Se observa en sistemas con alta carga orgánica en el efluente de entrada al reactor y con una edad de lodo superior a seis días.

Desfloculación: se produce la fragmentación de los flóculos de fango en el decantador secundario, originando un agua sobrenadante turbia. Se distribuye a bajas concentraciones de oxígeno disuelto, presencia de inhibidores o bajos valores de pH.

19. Indica las técnicas de aireación de un fango

Se pueden dividir en tres grupos:

• Con aire comprimido bajo formas diversas:
  • Burbujas gruesas, mediante tubos sumergidos.
  • Burbujas medias, mediante tubos perforados y aspersores.
  • Burbujas finas, mediante difusores porosos finos y placas porosas.
• Con medios mecánicos:
  • De eje horizontal: como cepillos rotativos.
  • De eje vertical: como turbinas y agitadores rotativos.
• Con medios mixtos: aire comprimido repartido según técnicas del grupo a), con agitación mecánica con sistemas análogos a los del grupo anterior b).

20. ¿Cuáles son los compuestos tóxicos para los fangos activados?

Cromo, cobre y cinc.

21. ¿Cómo es un flóculo de fango activado?

No estoy segura.

Puntas: parte de la biomasa presenta como pequeños flóculos que sedimentan con dificultad. Se observa en sistemas con alta carga orgánica en el efluente de entrada al reactor y con una edad de lodo superior a seis días.

22. ¿Cómo son los tanques para difusión de burbujas?

Debe tener la forma adecuada a esta recirculación interior. Es habitual construir tanques de forma rectangular, donde la longitud tiene un valor superior a cuatro veces el ancho. Suelen ser normales los tanques de ancho igual al doble de la altura, donde se dispone una fila de difusores en cada una de las laterales del fondo.

23. ¿En qué consiste la depuración anaerobia y cuándo se utiliza?

Es el proceso biológico en el que la materia biodegradable es asimilada por microorganismos específicos en ausencia de oxígeno disuelto. Se utiliza para aguas residuales industriales de alta carga orgánica (>2000 mg DBO/l) o en el tratamiento de fangos de cualquier tipo de depuración. También se emplean secuencias de tratamiento aerobio-anaerobio en algunas técnicas de tratamiento de aguas residuales urbanas (lagunaje, eliminación de nutrientes), que se verán más adelante.

24. Indica la reacción global de la depuración anaerobia

Materia orgánica (C, H, O, N, S...) + microorganismos anaerobios → CH₄ + CO₂ + NH₃ + H₂S + nuevos microorganismos anaerobios.

25. Indica las etapas de la anaerobiosis

1. Bacterias hidrolíticas.
2. Bacterias formadoras de ácidos (acidogénicas).
3. Bacterias acetogénicas.
4. Bacterias metanogénicas.

26. ¿Qué bacterias intervienen en las etapas anteriores?

Igual que la anterior.

27. Indica los distintos parámetros a controlar en la depuración anaerobia

• Oxígeno disuelto: es fundamental mantener la ausencia total de oxígeno en los digestores. Las bacterias metanogénicas son estrictamente anaerobias; el oxígeno les resulta mortal.
• Temperatura: a mayor temperatura, menor tiempo de digestión. El proceso es efectivo en la zona psicrófila (< 20 °C) y transcurre a la velocidad adecuada en las zonas mesófila (20-45 °C) y termófilas (45-65 °C).
• pH: entre 6,8 y 7,4, aunque pueden tolerarse rangos de 6 a 8.
• Alcalinidad y concentración de ácidos volátiles: la mezcla tampón que regula las variaciones de pH del sistema es el par CO₂/CO₃^2-. La alcalinidad que indica una buena digestión corresponde a valores entre 5.000 ppm, y para los ácidos volátiles la concentración inferior a 50. Interesa que la relación ácidos volátiles / alcalinidad sea inferior a 0,1.
• Inhibidores: es necesario controlar la presencia de sustancias que inhiben el proceso de depuración anaerobia, siendo las bacterias metanogénicas las más afectadas. Las especies inhibidoras más importantes son: metales pesados (Cu, Ni, Zn, Cr) a niveles entre 5-50 ppm; tóxicos orgánicos (acrolina, acrilonitrilo, anilinas y compuestos organoclorados) en muy pequeñas concentraciones; y sales a otros niveles más elevados (amonio, calcio, potasio y sodio).
• Nutrientes: las necesidades de nutrientes son muy inferiores a las de los procesos aerobios, ya que la producción de biomasa es mucho más baja. En lo que se refiere a la relación C(DBO)/N/P es de 100/0,5/0,1, la décima parte con respecto a la depuración aerobia, en lo relativo a los bionutrientes N y P.
• Producción de biogás: la cantidad que se calcula que puede producirse se estima aplicando el valor de 0,35 m³ por kg de DQO eliminado.

28. ¿Qué sustancias inhiben estos procesos y cuáles son las bacterias más afectadas?

(Pregunta 27: inhibidores)

29. Indica las ventajas e inconvenientes de la anaerobiosis