Unidades de Depuración de Agua: Procesos, Tecnologías y Aplicaciones

La gestión y tratamiento de las aguas residuales es un componente fundamental para la protección del medio ambiente y la salud pública. Las unidades de depuración de agua, también conocidas como Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), son instalaciones diseñadas para recoger las aguas procedentes del consumo ciudadano y de la actividad industrial, y someterlas a una serie de procesos físico-químicos y biológicos con el fin de eliminar sus sustancias contaminantes. El objetivo primordial es producir agua limpia o reutilizable, protegiendo así los ecosistemas acuáticos y garantizando la disponibilidad de recursos hídricos.

El progresivo crecimiento urbanístico y la correspondiente actividad económica conllevan un aumento de la contaminación ambiental, afectando directamente la calidad de las aguas. El agua residual que llega a estas instalaciones a través de la red de colectores procede de los núcleos urbanos conectados a la EDAR. La tecnología de tratamiento de aguas residuales se encarga del proceso de transporte y tratamiento en el interior del depósito, limpiando el agua residual hasta en un 99%.

Pretratamiento: La Primera Línea de Defensa

El tratamiento preliminar, o pretratamiento, es la etapa que da comienzo a la depuración de las aguas residuales y sirve para prepararlas para su purificación en las siguientes etapas. Durante esta etapa, primero suele tener lugar un proceso de desbaste, donde se separan los residuos sólidos de gran y mediano tamaño mediante rejas y tamices de diferente grosor.

Desbaste: Eliminación de Gruesos

El desbaste tiene como objetivo la eliminación de gruesos no solubles, como trapos, pañales o envases. Se separan sólidos de gran tamaño. El enrejado elimina sólidos por intercepción y se clasifican por tamaños de aberturas. Los enrejados gruesos tienen una separación entre 5 y 15 cm para conseguir la separación de sólidos de mayor tamaño, mientras que los enrejados finos tienen una separación entre 1,5 y 2 cm para conseguir la separación de sólidos de menor tamaño. Las rejas son un conjunto de barrotes de acero distribuidos uniformemente para que el agua se limpie de manera homogénea y no concentre la suciedad en alguna zona. Estos poseen limpieza manual o automática.

Desarenado y Desengrasado: Control de Sólidos y Grasas

Posteriormente, se procede al desarenado, para la eliminación de arenas u otros residuos sólidos no orgánicos de pequeño tamaño como gravas o cáscaras de huevo. Es un canal que permite eliminar partículas de granulometría superior a 0,2 mm con densidad y velocidad de sedimentación superiores a las partículas putrescibles. El desarenador estático tiene una sección mayor y, con esto, frena el fluido el tiempo suficiente para que se produzca la sedimentación.

El desengrasado se enfoca en la eliminación de los sólidos y líquidos no miscibles de menor densidad que el agua, como grasas y aceites. Consiste en un tanque alargado de grandes dimensiones, donde la velocidad de paso del agua residual disminuye, y en el que se inyecta aire.

También se realiza el tamizado para la eliminación de sólidos mayores a 0,2 mm que hayan atravesado el desarenador. Como la pérdida de carga es muy elevada, se acostumbra colocar un equipo de bombeo. Este proceso elimina sólidos suspendidos que llevan asociados materia orgánica y nutrientes (MO, N y P).

Tratamiento Primario: Sedimentación de Sólidos

A continuación, se realiza, como tratamiento primario propiamente dicho, una decantación para la eliminación de las partículas menores de un determinado tamaño (sólidos en suspensión) que no hayan podido eliminarse en el pretratamiento. Este proceso es conocido como decantación primaria. El tiempo de retención es del orden de horas, en un desarenador es de 4-5 minutos y en las rejas del orden de segundos.

En el decantador primario se elimina materia orgánica con el objeto de disminuir la cantidad de energía que requiere para la degradación el reactor biológico, porque consume oxígeno. El decantador primario puede ser rectangular o circular. En un decantador rectangular el agua entra por un extremo y sale por el otro, y en el decantador circular entra por el centro y sale por la periferia.

Tratamiento Secundario: La Acción de los Microorganismos

En el tratamiento secundario, un tratamiento principalmente biológico, se suele emplear la ayuda de bacterias y microorganismos para degradar y eliminar la materia orgánica y los diferentes nutrientes que contiene el agua. El objetivo de esta etapa es eliminar una porción de los sólidos suspendidos. Para ello, el agua queda retenida durante 1 a 2 horas en decantadores para que la gravedad ayude a separar esas partículas. También es posible añadir sustancias químicas durante este proceso, como coagulantes y floculantes, para mejorar la sedimentación de los sólidos y eliminar fósforo.

Reactores Biológicos: Granja de Microorganismos

El reactor biológico, aparentemente un simple depósito de grandes dimensiones, recibe agua pretratada pero cargada de materia orgánica disuelta. Esta carga contaminante es la fuente de alimentación de los microorganismos presentes en el reactor. La depuración transforma este simple depósito en una granja llena de microorganismos vivos, a los cuales se les aporta la cantidad necesaria de aire para su supervivencia, crecimiento y reproducción. Los microorganismos encargados del tratamiento biológico residen durante un tiempo determinado en el sistema, antes de ser extraídos del mismo para mantener una población adaptada a la carga contaminante que se pretende tratar, con el fin de eliminar completamente la materia orgánica disuelta. Al final del reactor biológico, el agua está limpia de contaminantes, pero los microorganismos depuradores siguen mezclados en ella.

Procesos de Fangos Activados y Filtros Biológicos

Existen dos grandes grupos de sistemas de tratamiento biológico. El primer gran grupo lo encontramos en los procesos de fangos activados, donde los microorganismos del reactor biológico están en suspensión dentro del medio acuoso. El segundo gran grupo se encuentra en depuradoras con reactores de lecho fluidificado, conocidas como filtros biológicos, donde los organismos del reactor biológico se encuentran fijados sobre un substrato, similar a una grava pequeña (2-4 mm de diámetro). En este segundo grupo no hay decantación secundaria, y el agua ya limpia y depurada, con una excelente calidad, va directamente al río.

El tratamiento más extendido es el de los fangos activados, donde el agua a tratar pasa varios días en un tanque, en condiciones variables de oxígeno (condiciones aerobias, anóxicas y anaerobias) según los requisitos de eliminación requeridos.

En general, existen dos tipos de tratamiento en planta que conllevan procesos y sistemas diferentes:

• Aerobio: Requiere de bombas, aireadores, sopladores y compresores, con una demanda de mantenimiento constante y alto consumo de electricidad. Este proceso necesita mucha inversión a nivel mecánico y eléctrico, además de que su productividad es baja y afecta el rendimiento, ya que necesita un operador para su funcionamiento. Asimismo, el mantenimiento debe darse con base en una inyección de oxígeno, ya que, de lo contrario, no podrá procesar y purificar el agua cruda. En caso de que esté trabajando a su máxima capacidad, requiere un tanque alterno para poner en espera los volúmenes que faltan, ya que ese influente podría quedarse sin tratamiento.
• Anaerobio: Considera un sistema natural con filtros de arena y piedra para eliminar las impurezas. De alguna forma, esto es más parecido al proceso de purificación natural. Por su parte, opera sin equipos mecánicos ni eléctricos, ni es necesaria la presencia de un operador. Su eficiencia es mayor y, al implementar un proceso básicamente natural, se garantiza el efluente limpio. Este último sistema utiliza el principio del “vaso comunicante” para obligar a que en una fosa de dos compartimentos se consigan niveles iguales, es decir, el agua cruda que entra a un lado de la fosa, logra invadir el siguiente compartimento sin ejecutar fuerza externa ni ningún tipo de bombeo.

Decantador Secundario: Separación de Lodos Biológicos

Tras el proceso biológico es habitual una segunda decantación, o decantación secundaria, donde las bacterias que han crecido en el proceso anterior se precipitan a la parte inferior del decantador, generando una mezcla de agua y sólidos que son lo que se denomina fango biológico.

El decantador secundario consiste en un gran depósito, generalmente de superficie circular. A él llega agua llena de floculos procedente del reactor biológico de fangos activados. Los lodos, agrupaciones de microorganismos en forma de floculos, tienen la particularidad de decantar, sedimentar dado su peso, dimensiones y diferencia de densidad con el agua. Cuando el agua llega al decantador secundario, como si de un lago se tratase, se produce un momento de calma: los floculos decantan hacia el fondo del depósito. Se produce una separación, una estratificación entre la masa de organismos, los floculos, y el agua limpia. El agua tratada es ahora apta para ser devuelta al río.

Tratamiento Terciario: Afinando la Calidad del Agua

Durante el tratamiento terciario o químico se busca aumentar la calidad final del agua para poder devolverla al medio ambiente (mar, ríos, lagos y demás cuencas hidrográficas) y, en algunos casos, emplearla para la actividad humana.

Tratamientos Físico-Químicos

El tratamiento físico-químico del agua consiste en la aportación de reactivos químicos en el agua, diferenciándose dos fases consecutivas que requieren de una agitación fuerte del agua, seguida de una agitación lenta. La primera fase, denominada coagulación, consiste en adicionar sales metálicas, como puede ser el sulfato de aluminio, que, por diferencia de cargas electromagnéticas, permite la unión entre partículas de medida muy pequeña, denominadas coloidales. Se forman unos coágulos visibles a simple vista. Pero estas partículas, demasiado pequeñas aún para permitir una rápida separación por sí mismas, no decantarían debido a su reducido peso.

La segunda fase, denominada floculación, consiste en la adición de polímeros en el agua, que permiten la unión entre los coágulos, formando un elemento visible de mayor medida y que decanta rápidamente. En Andorra, este tipo de tratamiento se encuentra instalado en las depuradoras de Pas de la Casa y Norte Oriental, en Canillo.

Eliminación de Nutrientes y Patógenos

El tratamiento terciario se centra en la eliminación de agentes patógenos, aunque también disminuye sólidos en suspensión y materia orgánica de carácter residual. Este tipo de tratamiento de depuración de aguas residuales está altamente recomendado cuando se quiere reutilizar el agua y que no suponga un riesgo para la salud humana. Se busca eliminar la materia orgánica y el amonio porque consumen el oxígeno disuelto disponible para la fauna y flora acuática. También se eliminan nutrientes como el nitrógeno y el fósforo que pueden producir la eutrofización del agua. También se genera toxicidad para la vida acuática con la producción de nitritos y amoníaco.

La radiación ultravioleta se utiliza para la desinfección. Para poder realizarse, las aguas deben estar muy claras y sin material particulado disuelto para que la luz llegue a todas partes.

Sistemas Alternativos y Naturales de Depuración

Existen también sistemas de depuración más naturales, especialmente adecuados para viviendas de vacaciones o de ocupación discontinua.

Fitodepuración y Evapotranspiración

Para viviendas de vacaciones o de ocupación discontinua, se ofrecen sistemas naturales de fitodepuración (depuración ecológica alternativa) y evapotranspiración (único sistema sin vertido). La ausencia de malos olores y de consumo de energía eléctrica (fitodepuración) también han contribuido a que los usuarios se inclinen cada vez más hacia estos tipos de sistemas. Todos estos motivos han favorecido la implantación y la difusión de estos sistemas naturales en España.

Fosas Filtro

Las fosas filtro consiguen la descomposición de la materia orgánica por mediación de bacterias prevalentemente anaeróbicas. En los últimos años, las fosas sépticas con filtros biológicos han sido en gran parte suplantadas y sustituidas por sistemas de depuración de oxidación total.

Manejo de Lodos: Subproductos del Tratamiento

Como subproducto del tratamiento de las aguas residuales se producen ciertos residuos, denominados lodos o fangos de depuración. En primer lugar, se lleva a cabo una etapa de espesamiento de los lodos, cuyo objetivo es la reducción del volumen de agua a tratar con la consiguiente optimización de los procesos existentes aguas abajo. Posteriormente, estos fangos mixtos se digieren mediante procesos aerobios (con aire) o anaerobios (en un tanque cerrado llamado digestor) para conseguir estabilizar el crecimiento de bacterias y para eliminarlas. A continuación, tiene lugar un proceso de reducción de la cantidad de agua mediante deshidratación, habitualmente con decantadoras centrífugas.

Estos lodos son sometidos a un proceso interno de deshidratación en la propia instalación, por el cual se les retira la mayor cantidad de agua posible, para ser posteriormente evacuados por un gestor autorizado hasta su tratamiento final. Los lodos o fangos de depuración, ya sea procedentes de estaciones de aguas residuales urbanas o industriales, tienen su propia legislación, que se fundamenta en su contenido en metales pesados. Para su correcta utilización agrícola, hay que disponer de una analítica pormenorizada del subproducto.

Parámetros de Contaminación y Análisis

Existen parámetros normales para la medida de la contaminación en general, que se puede estimar con indicadores como la DBO5 (demanda biológica de oxígeno a los cinco días) y la DQO (demanda química de oxígeno), que son las cantidades de oxígeno que se necesitan para oxidar la materia orgánica susceptible de ser oxidada bien por vía biológica (bacterias y microorganismos) o bien por vías químicas.

El oxígeno consumido es otro indicador, que mide aproximadamente la materia orgánica que hay presente en la muestra. Para determinarlo, se utiliza permanganato de potasio. La valoración en caliente se realiza a 60-70 °C, agregando ácido oxálico hasta la decoloración, el exceso de oxálico consume la materia orgánica que había al principio, es decir, el permanganato de potasio 0,0125N. Luego se agrega por retorno, el permanganato de potasio 0,0125N. La valoración en frío se realiza para saber si hay minerales reductores de permanganato.

Para la determinación de amonio, se utiliza el reactivo de Nessler. En condiciones óptimas, el reactivo permite detectar un miligramo de N amoniacal en 50 mL de solución. El pretratamiento con sulfato de cinc o aluminio en medio alcalino permite precipitar los iones calcio, magnesio, hierro y sulfuro que pueden ocasionar turbidez en presencia del reactivo de Nessler.

La determinación de fosfatos se efectúa mediante el Método de Murphy-Riley.

Consideraciones sobre la Depuración del Agua

La depuración del agua consigue extraer la contaminación del agua, a expensas de un consumo energético, pero produce los residuos concentrados de todo lo que el agua llevaba.

Sistemas de Control y Cubiertas

El sistema de control para el tratamiento de aguas residuales se puede instalar dentro de la vivienda o en un armario externo opcional. El sistema regula y controla el proceso de tratamiento. La cubierta telescópica transitable por peatones sella el sistema de tratamiento de aguas residuales SBR completamente. Esta se adapta al nivel de la superficie permitiendo hasta 5º de inclinación. El sistema queda perfectamente sellado mediante juntas.

La Importancia de la Reutilización

La necesidad de aumentar el porcentaje de población con acceso a agua potable y saneamiento, en cumplimiento con el Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 de la Agenda 2030 de las Naciones Unidas, supondrá a su vez un mayor vertido de aguas residuales. En este aspecto se están llevando a cabo avances a nivel global. Sin embargo, el porcentaje de aguas negras que se vierten sin ser tratadas es todavía elevado, por lo que debemos seguir trabajando en reducirlo. Un paso decisivo será generalizar la reutilización de las aguas residuales tratadas. En este sentido, es clave la transformación digital como vía para optimizar la gestión de las plantas depuradoras, las redes de saneamiento y el drenaje pluvial.

Si la tipología del terreno lo permite, es aconsejable enterrar completamente los depósitos, a excepción de sus tapas. El enterramiento favorece la estabilidad de la temperatura del agua y el desarrollo de la flora bacteriana, además de la constancia de la cantidad de oxígeno disuelto en el agua.

Las EDAR generan malos olores provenientes de las fases anaerobias que aparecen a lo largo del proceso de depuración.

En cuanto a la extracción de lodos mediante el sistema Air Lift, los pasos a seguir son: apagar el soplante de aire y dejar que sedimente unos 15 minutos; invertir la posición de las válvulas; desenroscar el tapón del codo de la tubería Air Lift; colocar una manguera flexible o recipiente para recoger los lodos; volver a conectar el interruptor del soplante de aire; una vez terminada la operación de extracción de lodos, volver a desconectar el interruptor del soplante de aire y enroscar nuevamente el tapón de la tubería del sistema Air Lift; finalmente, poner las dos válvulas en su posición inicial y volver a conectar el interruptor del soplante. Para comprobar el porcentaje de los fangos, habrá que introducir una probeta (o botella de plástico transparente) de 1 litro en el compartimento de oxidación, llenarla con licor mezcla, extraerla y dejarla sedimentar durante 20-30 minutos.

El agua ya depurada sale de la depuradora y se puede devolver al medio mediante una salida a un curso de agua o dirigir a un sistema de infiltración.

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