1.3. tratamientos primarios
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Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 2 1.2. PRETRATAMIENTO ................................................................................. 2 1.2.1. Obra de llegada.................................................................................. 4 1.2.2. Separación de grandes sólidos .......................................................... 5 1.2.3. Desbaste ............................................................................................ 7 1.2.3.1. Rejas........................................................................................... 8 1.2.3.2. Tamices .................................................................................... 14 1.2.4. Dilaceración ..................................................................................... 16 1.2.5. Desarenado-desengrasado.............................................................. 18 1.2.6. Homogeneización de caudal y de cargas ........................................ 22 1.2.7. Preaireación ..................................................................................... 23 1.3. TRATAMIENTOS PRIMARIOS ............................................................... 24 1.3.1. Sedimentación o decantación primaria ............................................ 25 1.3.1.1. Tipos de decantadores ............................................................. 26 1.3.1.2. Diseño del sedimentador primario ............................................ 29 1.3.1.3. Lodos producidos...................................................................... 30 1.3.1.4. Problemas de funcionamiento................................................... 31 1.3.2. Flotación por aire disuelto (FAD)...................................................... 31 1.3.3. Proceso mixto decantación-flotación................................................ 33 1.3.4. Tratamientos físico-químicos (coagulación-floculación)................... 34 1.3.4.1. Etapas del tratamiento físico-químico ....................................... 35 1.3.4.2. Descripción del tratamiento físico-químico................................ 41 1.3.4.3. Diseño del tratamiento físico-químico ....................................... 43 Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.1 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.1. INTRODUCCIÓN En este módulo se estudiarán los procesos de tratamiento de aguas residuales, divididos en distintas fases. EDAR del Bajo Nalón (Asturias) 1.2. PRETRATAMIENTO En una depuradora, el pretratamiento consiste en una serie de operaciones físicas y mecánicas que tienen por objeto separar del agua residual la mayor cantidad de sólidos que, por su naturaleza o tamaño, pueden crear problemas en los tratamientos posteriores. De hecho, la primera operación que se realiza en una depuradora es la separación de sólidos de gran volumen (que podrían producir graves alteraciones en el funcionamiento normal de la depuradora como obstrucción de las líneas) y de arenas que entre otras cosas producen abrasiones en bombas y equipos en movimiento. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.2 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Por otra parte, en algunos casos, debido a las malas propiedades del agua bruta (carácter séptico, presencia de vertidos industriales, variaciones de caudal y de carga, etc.), es preciso incluir en el pretratamiento otras operaciones de naturaleza mecánica o química, para así mejorar la eficacia de los procesos que seguirán aguas abajo y evitar mayores problemas medioambientales. Para determinar las operaciones de pretratamiento que son necesarias en una depuradora hay que tener en cuenta los siguientes factores: • Presencia de sólidos y arenas • Presencia de grasas y aceites • Variaciones de caudal y de carga • Tipo de tratamiento primario y secundario adoptado • Tratamientos de la línea de lodos Las operaciones que se encuadran dentro del pretratamiento son las siguientes: • Obra de llegada • Separación de grandes sólidos • Desbaste • Dilaceración o trituración • Desarenado-desengrasado • Homogeneización de caudal y de cargas • Preaireación Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.3 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1. Pozo de gruesos; 2. Bombeo de agua bruta; 3. Desbaste; 4. Desarenado-desengrasado 1.2.1. OBRA DE LLEGADA La obra de llegada a la depuradora consiste en una arqueta a la que se conectan todos los colectores que llegan a la EDAR y es el comienzo del pretratamiento. Esta arqueta debe disponer de un vertedero de seguridad y de un bypass general de la instalación, para desviar el agua en el caso de que llegue una gran avenida de agua y que el caudal de agua de entrada no supere el caudal máximo que puede ser tratado en la EDAR. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.4 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Para que el vertedero de seguridad consiga evacuar el excedente de caudal, se recomienda que sea de compuerta regulable y que el sistema de desagüe tenga una velocidad máxima de 0,8 m/s, para evitar la sedimentación de partículas. Un problema importante que se puede producir en la obra de llegada es la avenida de aguas de lluvias, pues se ha demostrado que en los primeros 10-15 minutos de lluvia, el agua está tan contaminada como un agua residual media, y en los siguientes 20-30 minutos, como un agua residual diluida. Esto es debido a la gran cantidad de sólidos y contaminación que arrastra el agua de lluvia cuando lleva tiempo sin llover. Para evitar estos problemas, hoy en día se construyen los denominados tanques de tormenta aguas arriba de la obra de llegada, para que retengan durante 20 ó 30 minutos, las aguas de escorrentía con alta carga contaminante. Luego, poco a poco, se va incorporando al agua bruta de entrada en la EDAR el agua retenida en este tanque, para diluir así la contaminación y laminar el caudal de entrada a la planta. En el caso de no existir tanque de tormentas, el coeficiente de dilución (Cd) oscila entre 2 y 5, y se calcula según la expresión: Cd = 1.2.2. agua residua l + agua bruta agua residual SEPARACIÓN DE GRANDES SÓLIDOS En el caso de que el agua bruta tenga un gran contenido en sólidos, es necesario incluir un sistema de separación de grandes sólidos. Así, se evitan problemas en los sistemas posteriores de tratamiento, como puede ser el desarenado. El sistema de separación consiste en un pozo con el fondo en forma de tronco piramidal invertido y con las paredes muy inclinadas, de manera que facilite la concentración de sólidos y de arenas y que puedan ser extraídas fácilmente. A continuación se muestra un esquema de un pozo de gruesos: Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.5 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La forma de evacuar los materiales retenidos en el pozo de gruesos es mediante el empleo de una cuchara bivalva montada sobre un puente grúa. Los parámetros de diseño más importantes son: • Carga hidráulica ≤ 300 m3/m2·h • Tiempo de retención = 0,5 – 1 minuto • Calado del pozo > 2 m A la salida del pozo de gruesos normalmente se instala el pozo de bombeo, con una reja previa para proteger las bombas de los sólidos que aún pudiesen quedar en el agua bruta. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.6 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.2.3. DESBASTE En el desbaste se lleva a cabo la separación del agua residual de grandes elementos como pueden ser piedras, ramas, trapos, plásticos, colillas de cigarro, etc., con el objetivo de proteger a las distintas unidades de tratamiento de la EDAR, que se pueden obstruir con este tipo de elementos. El desbaste se puede llevar a cabo mediante rejas (de finos y de gruesos) y tamices. Además, es importante diseñar también un buen sistema de recogida, prensado y almacenamiento de los elementos retirados. Todo el sistema de desbaste debe instalarse en el interior de un edificio cubierto para evitar olores. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.7 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.2.3.1. Rejas Las rejas consisten en un conjunto de barras metálicas paralelas y de separación uniforme entre ellas, situadas en posición transversal al flujo. El agua residual pasa a través de la reja, quedando retenidos los sólidos presentes con un tamaño superior a la separación entre las barras. Las rejas se clasifican por la separación entre barrotes, de esta forma: • Rejas de gruesos, con paso libre entre barrotes de 20 a 60 mm. • Rejas de finos, con paso libre entre barrotes de 6 a 12 mm. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.8 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La reja se dispone en un canal de sección rectangular y en un tramo recto, con el fin de conseguir que la velocidad de aproximación sea lo más homogénea posible para evitar turbulencias. La instalación debe realizarse en el exterior para facilitar la evacuación de los sólidos retenidos. Según el método de limpieza de la reja, éstas se clasifican en rejas de limpieza manual y rejas de limpieza mecánica. • REJAS DE LIMPIEZA MANUAL Se utilizan en pequeñas instalaciones o en grandes instalaciones para proteger bombas y tornillos en caso de que sea necesario utilizarlos para elevar el agua hasta la estación depuradora antes del desbaste. También se utilizan junto a las de limpieza automática, cuando estas últimas están fuera de servicio. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.9 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas En la actualidad, este tipo de rejas se encuentran en desuso para reducir el trabajo manual al mínimo y para mejorar la explotación de las depuradoras. Las rejas están constituidas por barrotes rectos soldados a unas barras de separación situadas en la cara posterior, y su longitud no debe exceder aquella que permita rastrillarla fácilmente con la mano. Van inclinados sobre la horizontal con ángulos entre 60-80º. Encima de la reja se coloca una placa perforada por la que caerán los residuos rastrillados a un contenedor donde se almacenarán temporalmente hasta que se lleven a vertedero. Con el objeto de proporcionar suficiente superficie de reja para la acumulación de sólidos entre limpieza y limpieza, es necesario que la velocidad de aproximación del agua a la reja sea de unos 0,45 m/s a caudal medio. El área adicional necesaria para limitar la velocidad se puede obtener ensanchando el canal de la reja y colocando ésta con una inclinación más suave. A medida que se acumulan los sólidos, obturando parcialmente la reja, aumenta la pérdida de carga, sumergiendo nuevas zonas a través de las cuales pasará el agua. Las tareas a realizar en las rejas de limpieza manual son: • Vigilar que no se acumulen muchos sólidos en la reja, para lo cual debemos de limpiarla con cierta periodicidad. De esta manera se evitará Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.10 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas que se pudran los sólidos orgánicos retenidos, y se evitarán los malos olores. • Vaciar la cuba de los sólidos con cierta regularidad, por los mismos motivos antes expuestos. • • Reparar y sustituir los barrotes defectuosos. REJAS DE LIMPIEZA MECÁNICA La principal ventaja de este tipo de reja es que elimina los problemas de atascos y reduce el tiempo necesario para su mantenimiento. Deben instalarse por lo menos dos rejas en paralelo, para que pueda quedar fuera de servicio una de ellas por bloqueo o por cuestiones de mantenimiento, sin tener que parar el desbaste. En caso de que sólo hubiera una unidad instalada, será necesario establecer un canal de bypass con una reja de limpieza manual para ser usada en casos de emergencia. Dicho canal estará normalmente fuera de servicio impidiendo el flujo de agua a su través por medio de tablones de cierre o por una compuerta cerrada. Los aspectos más importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar una reja son: • Velocidad de agua en el canal (0,4 m/s a caudal mínimo y 0,9 m/s a caudales máximos). • Velocidad de paso a través de la reja (< 1 m/s a caudal medio y < 1,4 m/s a caudal máximo). Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.11 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Pérdida de carga producida por las rejas: varían entre 0,1-0,2 m para las rejas gruesas y entre 0,2-0,4 m para las rejas finas. • La reja se diseña para que funcione correctamente con un 30% de colmatación (por lo tanto, el coeficiente de colmatación C de la reja será de 1,3). La anchura del canal en la zona de la reja vendrá dada por la siguiente ecuación: W = Q E +e ⋅ ⋅C v ⋅H E donde: W: ancho del canal en la zona de la reja (m) Q: Caudal máximo (m3/s) v: velocidad máxima del agua a través de la rejilla (m/s) H: nivel de aguas por encima de la rejilla (se puede suponer 1 m) e: ancho de los barrotes (m) E: separación libre entre barrotes (m) C: coeficiente de seguridad (normalmente se adopta 1,3) Se recomienda que el material de las rejas sea de acero inoxidable AISI-316. En cuanto al volumen de residuos retenidos, varía según la estación y según el tipo de agua residual, siendo bastante difícil de calcular si no se tienen datos reales. De todas formas, se toman como valores normales, según el tipo de reja: • Reja fina: 6-12 l/(día·1000 hab) • Reja gruesa: 15-27 l/(día·1000 hab) El funcionamiento de estas rejas suele ser discontinuo y pueden automatizarse mediante: Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.12 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Temporización: Se establece la secuencia de funcionamiento del rastrillo mediante un reloj eléctrico de cadencia-duración regulable, en función del tiempo de funcionamiento diario calculado. • Pérdida de carga: El dispositivo de limpieza se pone en marcha automáticamente cuando la pérdida de carga entre la zona anterior y la zona posterior de la reja, debido a su colmatación parcial, sobrepasa un valor establecido. • Sistema combinado de temporización y pérdida de carga. • Las rejas deben ir equipadas con un dispositivo limitador de par, para que en caso de sobrecarga o de bloqueo se pongan fuera de servicio, evitando el deterioro de las mismas. La limpieza de la reja puede ser por la cara anterior o por la cara posterior: • Las de limpieza anterior pueden sufrir atascamientos cuando se depositan muchos sólidos (o de gran tamaño) al pie de la reja, provocando el bloqueo del mecanismo hasta que se elimine la obstrucción. • Las de limpieza posterior no tienen este problema de obstrucción ya que las púas del peine, al desplazarse por detrás, no están sujetas a bloquearse por formación de depósitos de materia al pie de la reja. Sin embargo, hay un mayor riesgo de rotura de los dientes ya que han de tener mayor longitud, y también existe el problema de que los sólidos que queden retenidos en el rastrillo pueden ser retornados al agua bruta, ya que la limpieza del rastrillo en este sistema se sitúa abajo de la reja. En cuanto al diseño de la reja, ésta puede ser curva o recta: • Las rejas curvas son de limpieza frontal, consistiendo dicho sistema en uno o dos peines situados al extremo de un brazo que gira alrededor de un eje horizontal. Están indicadas para instalaciones de importancia media con aguas poco cargadas. Su instalación se realiza en canales poco profundos, entre 0,4-2 m. La altura del agua ocupa normalmente el 75% de la longitud del radio. La eliminación de los residuos se realiza por encima de la lámina de agua. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.13 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Las rejas rectas pueden ser de limpieza frontal y de limpieza posterior, con numerosas variantes en su diseño en función del sistema de limpieza que se emplee (de cable con rastrillo, de cables con garfio, de cadenas de cremallera, de tornillos, etc.). Se emplean en instalaciones de gran importancia y para grandes profundidades. Existen rejas que pueden funcionar en canales de hasta 10 m de profundidad. 1.2.3.2. Tamices El tamizado consiste en una filtración sobre soporte delgado, y sus objetivos son los mismos que se pretenden con el desbaste con rejas, es decir, la eliminación de materia que por su tamaño pueda interferir en los tratamientos posteriores. Hay que tener en cuenta que, en función del paso establecido, se pueden obtener los siguientes rendimientos: • Retención de DBO5: 10-15% • Retención de SS: 15-25% • Retención de arenas: 10-80% Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.14 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Un aspecto importante es la selección de los tamices es la alta pérdida de carga que producen, de 0,5 a 2 m, en función del tipo y paso establecido. Los tamices deben construirse obligatoriamente en material inoxidable de alta calidad (AISI-316L). Los tamices más comunes en el pretratamiento de aguas residuales se describen a continuación. • TAMICES ESTÁTICOS AUTOLIMPIANTES Los tamices estáticos llevan una reja constituida por barrotes horizontales de acero inoxidable, de sección triangular. La inclinación sobre la horizontal disminuye progresivamente de arriba a abajo, pasando de unos 65º a unos 45º. El agua entra por arriba y pasa a través de los barrotes, mientras, la materia retenida va resbalando por el tamiz y saliendo al exterior donde se almacena en contenedores provisionalmente. Así obtenemos sucesivamente la separación, escurrido y evacuación de las materias sólidas. • TAMICES ROTATORIOS Los tamices rotatorios están constituidos por una reja cilíndrica de eje horizontal con barrotes de sección trapezoidal, la cual gira lentamente. El agua cae por arriba entrando en el interior del tamiz, en tanto que la suciedad queda retenida en el exterior y son evacuadas a un contenedor provisional por medio de un rascador fijo. El paso de malla es de 0,2-2,0 mm. Las pérdidas de carga son elevadas, del orden de 2 m, lo que obliga la mayoría de las veces a un bombeo Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.15 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas suplementario. Tienen el problema añadido de ser sensibles al atascamiento por grasas coaguladas. • TAMICES DESLIZANTES Son de tipo vertical y continuo. El tamiz lleva a lo largo de él una serie de bandejas horizontales solidarias a la malla. En estas bandejas quedan retenidos los sólidos siendo eliminados en la parte superior por un chorro de agua a contracorriente. El paso de malla es de 0,2- 3,0 mm. En cuanto al volumen de residuos retenidos, se pueden tomar como valores normales en España entre 15-40 l/(hab·año). 1.2.4. DILACERACIÓN Su objetivo es triturar las materias sólidas arrastradas por el agua. Esta operación no está destinada a mejorar la calidad del agua bruta ya que las materias trituradas no son separadas, sino que se reincorporan al circuito y pasan a los demás tratamientos, por lo que este paso no se suele utilizar, a no ser que no haya Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.16 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas desbaste, con lo que sí es necesario incluirlo en el diseño y funcionamiento de la planta. Sección de un dilacerador: 1. Influente; 2. Dilacerador; 3. Motor; 4. Vaciado del canal; 5. Efluente Esta operación está muy cuestionada y actualmente casi ha desaparecido de la mayoría de las instalaciones españolas y europeas. Pero, a veces, aunque haya un desbaste previo, se pueden utilizar dilaceradores para tratar los detritus retenidos en las rejas y tamices, siendo después vueltos a incorporar al agua bruta. El dilacerador consta de un tamiz tipo tambor que gira alrededor de un eje vertical provisto de ranuras con un paso entre 6-10 mm. Los sólidos se hacen pasar Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.17 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas a través de unas barras de cizalladura o dientes cortantes donde son triturados antes de llegar al tambor. Se homogeneizan en tamaño y atraviesan las ranuras, saliendo por una abertura de fondo mediante un sifón invertido, siguiendo su camino aguas abajo. 1.2.5. DESARENADO-DESENGRASADO Las arenas, incluso las de granulometría más baja, producen abrasiones en bombas y equipos en movimiento, por lo que es necesaria su retirada. Por otra parte su no eliminación supondría su tratamiento con los lodos primarios, por lo que se depositarían en el fondo de los digestores, dificultando su limpieza y ocupando una mayor parte de su volumen. El desarenado es una operación consistente en la extracción del agua bruta de la mayor cantidad de arenas, incluyendo dentro de esta denominación a las arenas propiamente dichas y a todas aquellas partículas de elevada densidad, tales como semillas, cáscaras de frutas, partículas más o menos grandes de materias minerales, etc. Los desarenadores son unos canales o tanques en los que por disminución de la velocidad del agua residual se produce una sedimentación diferencial o selectiva, de todas aquellas partículas de elevada densidad que impiden la deposición de materia en suspensión de naturaleza orgánica. En este tipo de unidades es fundamental el mantenimiento de unas condiciones de velocidad lo más constantes posibles. El desengrasado elimina las grasas, aceites, espumas y demás materias flotantes menos densas que el agua que podrían obstaculizar la aireación del agua en tratamientos posteriores. La operación de desengrasado podría llevarse a cabo teóricamente en los decantadores primarios, al estar dotados de rasquetas para el barrido superficial, pero cuando el volumen de grasas es importante, su recogida es deficiente, con las consiguientes dificultades de explotación. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.18 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas En la práctica totalidad de las depuradoras la operación de desengrasado se lleva a cabo en la misma unidad del desarenador aireado de la siguiente manera: • Las arenas sedimentan en el fondo y son eliminadas mediante un sistema de bombas centrífugas que cuelgan del puente móvil y que impulsan la mezcla arena-agua hasta unos canales laterales para su evacuación al sistema separador de arenas. • Las grasas se desemulsionan por la acción de las burbujas de aire y flotan en la zona de tranquilización, que está separada del resto de la unidad por una pantalla longitudinal. Las grasas son arrastradas por rasquetas superficiales hasta un vertedero, desde el que canalizan hasta un concentrador de grasas. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.19 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Las grasas y flotantes extraídos de los desengrasadores, unidos a los flotantes extraídos en la decantación primaria, suelen tratarse posteriormente en un concentrador de grasas donde se desprenden de su contenido en agua. Las grasas concentradas se almacenan en contenedores especiales y posteriormente pasan a vertedero. También se podrían incinerar en caso de existiese en la planta un horno de incineración de lodos o para tratamiento de lodos. Las grasas y espumas también podrían tratarse en una digestión anaerobia junto a los lodos, ya que son en su mayor parte residuos orgánicos. Pero esta opción no es recomendable porque presenta el inconveniente de favorecer la formación de costras en el digestor. El sistema más extendido de aireación es el de aire comprimido a través de difusores, que se sitúan a una altura de 0,4-0,5 m de distancia respecto a la solera. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.20 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Otro sistema utilizado es mediante aireadores sumergidos ubicados en la parte anterior del desarenador-desengrasador, dejando la parte posterior como zona tranquilizada, donde flotan y se recogen las grasas. Desarenador-desengrasador fuera de servicio (izquierda) y en funcionamiento (derecha) Los parámetros de diseño de un desarenador-desengrasador son los siguientes: • Carga hidráulica (CH) ≤ 35 m3/m2·h a caudal máximo (valor medio 30) • Velocidad horizontal < 0,15 m/s • Tiempo de retención hidráulica (Tr) = 10-15 min a Q medio (valor típico 10) • Relación longitud-ancho (L/A) = 3:1 –5:1 (valor típico 4:1). • Relación ancho-profundidad (A/H) = 1:1 – 5:1 (valor típico 1,5-1) • Profundidad (H) = 2-5 m • Caudal de aire necesario (Qaire) = 5-8 m3/(h·m2 superficie desengrasador) • Sequedad de la arena: 90% • Materia orgánica en arena: < 5% En estas condiciones, se puede conseguir una eliminación del 90% de las arenas y un 80% de las grasas. Las ecuaciones necesarias para el diseño de esta unidad son: CH = Q S Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios V= Q ⋅ Tr 2 H= V S 1.21 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.2.6. HOMOGENEIZACIÓN DE CAUDAL Y DE CARGAS Este medida se utiliza para evitar los problemas que producen en las instalaciones las excesivas variaciones de caudal y concentraciones de DBO, y mejorar así la efectividad de los tratamientos existentes aguas abajo. La homogeneización consiste en laminar las variaciones de caudal para que éste sea lo más constante posible, de manera que se consigue también amortiguar las variaciones de carga. Las principales ventajas de este tratamiento son: • Mejora el tratamiento biológico, al reducir las cargas de choque. • Mejora la calidad del efluente y el rendimiento de los decantadores secundarios, al trabajar con velocidades ascensionales y cargas de sólidos más constantes. • Mejora el control de la dosificación de reactivos y la fiabilidad del proceso en los tratamientos físico-químicos. El sistema de homogeneización se ubica generalmente después del pretratamiento, para evitar que los detritus y las grasas del agua residual distorsionen el funcionamiento del mismo. Normalmente tiene entre 3 y 6 m de profundidad, con un resguardo de 1 m. Para mantener homogéneo el contenido del tanque y evitar la decantación de sólidos en su solera, se debe disponer de sistemas de mezclado y aireación adecuados. La aireación es necesaria para evitar que las aguas se vuelvan sépticas y se produzcan olores. Las necesidades de agitación y aireación para aguas residuales con concentraciones medias de sólidos, oscilan entre 4-8 watios/m3 de tanque, siendo la demanda de aire entre 0,8 y 2 m3/m3 de tanque. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.22 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas El método más utilizado para conseguir el mezclado y la aireación es la instalación de aireadores mecánicos, tanto superficiales de tipo flotante como sumergidos. Los niveles mínimos de funcionamiento para los aireadores flotantes exceden por lo general de 1,5 m, variando con la potencia y diseño de la unidad. En los casos de grandes depósitos o en los que no se necesita dosificación de aire, se utilizan agitadores para evitar la sedimentación en el tanque. En el diseño de los tanques de homogeneización deben incluirse los siguientes elementos auxiliares: • Instalaciones para la limpieza con agua a presión de los sólidos y grasas que se acumulan en los paramentos del tanque. • Sistemas de eliminación de materias flotantes que se forman en la parte superior del tanque. • Aliviadero de emergencia para cubrir un eventual fallo del sistema. • Rociadores de agua para evitar la acumulación de espumas en la superficie del tanque. 1.2.7. PREAIREACIÓN La preaireación se utiliza en la cabecera de la instalación, en los desarenadores (incrementando el tiempo de retención y la capacidad de aireación) y en los canales de distribución a los decantadores primarios. Los principales objetivos de la preaireación son los siguientes: • Mejorar el tratamiento del agua en cuanto que esta llega séptica a la depuradora. • Controlar los olores. • Mejorar la separación de las grasas. • Favorecer la floculación de sólidos. • Mantener el oxígeno en la decantación primaria, a bajos caudales. • Incrementar la eliminación de DBO5. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.23 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Conseguir una distribución uniforme de los sólidos en suspensión a la entrada de las unidades de tratamiento. • Evitar los depósitos en las cámaras húmedas. El tiempo de retención para la preaireación varía según el objetivo que se pretenda alcanzar: • La disminución de los olores y la prevención de la septicidad implican un tiempo mínimo de 10-15 minutos. • La floculación efectiva de los sólidos necesita, además de la adición de ciertos productos químicos, un tiempo de retención de 30 minutos. • Para la reducción de DBO el tiempo de retención será de 45 minutos. Los caudales de aire necesarios para los distintos objetivos son difícilmente calculables y se basan tanto en la calidad del agua residual como en las características físicas del tanque y en la sección transversal del mismo. El factor determinante es la necesidad de mantener la adecuada turbulencia en el tanque para que su contenido se mantenga en suspensión y no se produzcan sedimentaciones. En la práctica se deben suministrar entre 0,8 y 2 m3 aire/m3 de agua residual. La profundidad del tanque oscila entre 3 y 6 m, con un valor medio de 4,5 m. 1.3. TRATAMIENTOS PRIMARIOS El objetivo principal del tratamiento primario es la reducción de los sólidos en suspensión (SS) del agua residual. Dentro de estos SS pueden distinguirse: • Los sólidos sedimentables: son los que sedimentan al mantener el agua residual en condiciones de reposo durante una hora. • Los sólidos flotantes: son los sólidos que no sedimentan. • Los sólidos coloidales (tamaño entre 10-3 y 10 micras). Parte de los sólidos en suspensión están constituidos por materia orgánica, por lo cual el tratamiento primario supone también la reducción de la DBO. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.24 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Los principales procesos del tratamiento primario son: • • 1.3.1. Procesos de separación sólido-líquido: Sedimentación o decantación primaria Flotación Proceso mixto (decantación-flotación) Procesos complementarios de mejora: Floculación Coagulación (proceso físico-químico) SEDIMENTACIÓN O DECANTACIÓN PRIMARIA El objetivo de la decantación primaria es la reducción de los SS de las aguas residuales bajo la exclusiva acción de la gravedad. Por tanto, sólo se puede pretender la eliminación de los sólidos sedimentables y las materias flotantes. Según la clasificación de Fitch, basada en la concentración y tendencia a la interacción de las partículas, existen cuatro tipos de sedimentación diferenciadas: Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.25 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Sedimentación clase 1 o de partículas discretas (por ejemplo, el desarenado). • Sedimentación clase 2 o de partículas floculantes (por ejemplo, la decantación primaria). • Sedimentación clase 3 o zonal (por ejemplo, la decantación secundaria en el proceso de lodos activos). • Sedimentación clase 4 o por compresión (por ejemplo, el espesamiento de lodos por gravedad). En la sedimentación de partículas discretas éstas decantan de forma independiente y con una velocidad de sedimentación constante, que bajo ciertas hipótesis viene dada por la Ley de Stockes. Así, en el movimiento horizontal del fluido, la trayectoria de sedimentación de la partícula es una línea recta. En la decantación primaria, las partículas tienen ciertas características que producen su floculación durante la sedimentación. Así, al chocar una partícula que está sedimentando con otra partícula, ambas se agregan formando una nueva partícula de mayor tamaño y aumentando, por tanto, su velocidad de sedimentación. En este caso, la trayectoria de la partícula en un depósito de sedimentación será una línea curva de pendiente creciente. 1.3.1.1. Tipos de decantadores Existen múltiples tipos de decantadores reales. En cuanto a la forma en planta del decantador existen dos tipos básicos: • DECANTADOR CIRCULAR En general, el agua entra por el centro del decantador y es recogida en toda la periferia del mismo. Frente a este sistema se ha desarrollado el de alimentación periférica con salida del agua bien central o bien periférica. Se evita las perturbaciones producidas por la disipación de la energía del agua en la entrada mediante la instalación de deflectores o corona de reparto en los circulares. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.26 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La salida habitual del agua es a través de un vertedero triangular, que aunque no es el óptimo desde el punto de vista del reparto (al considerar el posible error de nivelación) sí lo es al considerar las amplias variaciones del caudal La evacuación de los lodos se lleva a cabo en tres pasos: acumulación, almacenamiento y extracción. La acumulación de lodos en el decantador puede realizarse de dos formas básicas: por gravedad o mediante equipos mecánicos. La primera se realiza mediante el fondo inclinado en forma de tolva del decantador, pero cuando las dimensiones de éste son excesivamente grandes hay que recurrir a equipos mecánicos que acumulen el lodo sedimentado, por arrastre, en uno o varios puntos fijos de extracción, mediante rasquetas que barren la solera del decantador, o bien mediante la extracción de los lodos por succión (bien por depresión hidráulica o por vacío) sin necesidad de acumulación, pero esta práctica es principalmente usada en la decantación secundaria del proceso de lodos activos. El almacenamiento se realiza normalmente en pocetas ubicadas en el centro de la solera del decantador, donde a veces se coloca un sistema de rasquetas de Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.27 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas paletas de espesamiento, para aumentar la concentración del lodo antes de su extracción. La extracción o purga del lodo normalmente se realiza de forma automática y periódica, por lo que el automatismo consiste en la temporización regular de los tiempos de funcionamiento y parada del sistema de extracción. Éste se materializa bien en válvulas automáticas o bien en bombas especiales para lodos. La eliminación de flotantes se realiza disponiendo delante del vertedero de salida una chapa deflectora que evita la salida de los flotantes. Para su acumulación los sistemas de rasquetas disponen generalmente de barredores superficiales que los arrastran hasta el punto de extracción, consistente en una tolva que a veces dispone de una rampa por donde sube parte de la barredora. • DECANTADOR RECTANGULAR En el decantador rectangular la alimentación se realiza generalmente por uno de los lados más estrechos, saliendo el agua por el lado opuesto, también a través de un vertedero triangular. La acumulación de lodos puede ser por gravedad o por rasquetas. Existen dos tipos básicos de equipos de rasquetas para la acumulación de lodos, y en ambos casos, las rasquetas recorren el decantador a lo largo del mismo ocupando cada rasqueta todo su ancho. Uno de ellos dispone de varias rasquetas equidistantes unidas a un sistema de cadenas que constituyen el sistema tractor junto con el motorreductor de accionamiento. Una vez que las rasquetas han barrido el fondo, se elevan a la superficie y, recorriendo el largo del decantador en dirección opuesta, vuelven al punto de partida, aprovechando este movimiento para la acumulación de flotantes. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.28 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas El otro equipo consiste en un puente a lo ancho del decantador del que cuelga el sistema de rasquetas. El movimiento que sigue es de vaivén a lo largo del decantador, lo que obliga a la elevación de las rasquetas en el movimiento de retroceso, y el punto de extracción está en un sólo lado del decantador. Las pocetas de almacenamiento de lodos se sitúan a lo ancho del decantador rectangular en el lado de entrada del agua. La extracción de flotantes se realiza por tubos acanalados giratorios. Comparando ambos decantadores a partir de datos estadísticos de explotación de depuradoras, se llega a la conclusión que son los circulares los que consiguen mejores rendimientos, aunque desde un punto de vista hidráulico, el decantador rectangular tiene mejor funcionamiento. 1.3.1.2. Diseño del sedimentador primario Los parámetros de diseño del sedimentador de partículas floculantes son dos: Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.29 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Velocidad ascensional o carga superficial: es el caudal de fluido dividido por la superficie del depósito de sedimentación. Éste es el único parámetro de la sedimentación de partículas discretas. • Tiempo de retención: es el volumen del depósito dividido por el caudal. A veces, en vez de este parámetro, se toma la altura del depósito al ser ambos interdependientes. Además de estos parámetros existen ciertas características del agua residual que afectan al rendimiento del proceso. Así, en la decantación primaria los factores básicos son la concentración de sólidos en suspensión y las características floculantes de los mismos, de manera que el rendimiento de reducción mejorará al aumentar la concentración de sólidos en suspensión. A continuación, en la siguiente tabla, se presentan los parámetros de diseño típicos para sedimentadores circulares y rectangulares. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA DECANTACIÓN PRIMARIA Rendimiento de eliminación de SS 60-65 % Rendimiento de eliminación de DBO5 30-35 % < 1,3 m/h (a caudal medio) Velocidad ascensional (Qm) < 2,5 m/h (a caudal máximo) > 2 h (a caudal medio) Tiempo de retención (Tr) > 1 h (a caudal máximo) < 120 m/h (decantador circular) Velocidad de las rasquetas (vrasquetas) < 60 m/h (decantador rectangular) Tiempo de retención lodos en poceta <5h Concentración de los lodos 3-5 % 5-10 % (decantador circular) Pendiente de la solera 1-2 % (decantador rectangular) Dimensiones decantador circular Relación radio/calado: 2,5-8 Relación largo/ancho: 3-5 Dimensiones decantador rectangular Relación longitud-calado: 4-35 1.3.1.3. Lodos producidos La concentración del lodo primario suele estar entre un 3-8%. Cuando se envía el exceso de lodos activos a la decantación primaria, la concentración del lodo mixto normalmente será menor que la correspondiente a la del lodo primario. En Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.30 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas este caso habrá que dimensionar el sistema de evacuación de lodos para el conjunto de lodos mixtos producidos. 1.3.1.4. Problemas de funcionamiento Los problemas de funcionamiento de la decantación primaria pueden tener su origen en cuatro factores básicos: 1. Diseño 2. Avería de equipos 3. Afluente 4. Explotación Dentro de los problemas propios de la explotación del decantador primario, el más importante consiste en la temporización de la purga de lodos, con la que se regula el caudal de extracción de lodos. Si este caudal es excesivo, la concentración de los lodos resulta baja, pudiendo perjudicar a los procesos de tratamiento de lodo. Si el caudal es pequeño, los lodos se van acumulando en el decantador, lo que puede suponer una disminución de los rendimientos y la entrada de los lodos en anaerobiosis, con la consiguiente posibilidad de malos olores y flotación de lodo decantado. 1.3.2. FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (FAD) La flotación por aire disuelto se utiliza para eliminar materia sólida y/o líquida de densidad inferior a la del agua, aunque es capaz de eliminar sólidos de densidad superior. El proceso FAD consiste en la creación de microburbujas de aire en el seno del agua residual, las cuales se unen a las partículas a eliminar formando agregados capaces de flotar por tener una densidad inferior a la del agua. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.31 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Por tanto, se puede decir que el objetivo de este proceso en el tratamiento primario es doble: reducción de materias flotantes y reducción de sólidos en suspensión. La creación de burbujas en el proceso FAD, se realiza a través de los siguientes pasos: 1. Presurización de un flujo de agua. 2. Disolución de aire en dicho flujo, sobresaturándolo, respecto a condiciones normales de presión. 3. Despresurización a presión atmosférica, con lo que el exceso disuelto por encima del de saturación se libera en forma de microburbujas. Los distintos tipos de procesos que existen son: • FADT (de flujo total): se sobresatura todo el caudal. • FADP (de flujo parcial): se sobresatura una parte del caudal. • FADR (de flujo recirculado): se sobresatura agua ya tratada por el proceso (efluente). Cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes. Así, mientras que el FADR utiliza un flujo de agua tratada, con lo que optimiza el diseño y el mantenimiento del sistema de presurización-sobresaturación, aumenta el caudal a tratar, por lo que aumenta las dimensiones del sistema de flotación. A continuación se muestra una tabla de los parámetros de diseño de la flotación por aire disuelto. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.32 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO Reducción SS 65-80 % Reducción DBO 45-50 % Reducción aceites 70-90 % Relación aire/sólidos (en peso) 0,03-0,08 Presión de trabajo 2,5 atm Tasa de presurización 10-40 % Velocidad descensional 2,5-10 m/h Tiempo de retención hidráulico 20-40 min Carga de sólidos No limitante La tasa de presurización es el porcentaje de flujo presurizado respecto al Q de agua bruta a tratar. Cuando el vertido se realiza al mar este tratamiento puede llegar a hacer cumplir las limitaciones del vertido sin necesidad de tratamiento biológico. Dada su gran versatilidad de funcionamiento, puede ser muy útil en los casos de grandes variaciones de vertido según temporadas. El espesamiento del exceso de lodos activos del tratamiento biológico puede obviarse realizándose en el mismo FAD. 1.3.3. PROCESO MIXTO DECANTACIÓN-FLOTACIÓN El rendimiento del proceso de FAD para bajas concentraciones de sólidos en suspensión depende entre otros factores de la formación de un buen enlace partícula-burbuja de aire. Así, habrá partículas que no son flotantes y que o sedimentarán en el flotador (depósito de flotación) o bien se irán con el efluente. Para evitar este problema se puede utilizar el decantador-flotador, consistente en un decantador primario convencional en cuyo interior se ubica el flotador. El proceso se completa con el sistema de presurización-sobresaturación típico del proceso FAD. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.33 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.3.4. TRATAMIENTOS FÍSICO-QUÍMICOS (COAGULACIÓN- FLOCULACIÓN) La presencia en el agua de diversas sustancias sólidas constituye la parte más importante y aparente de la contaminación. Debe eliminarse esta parte sólida para evitar gran número de inconvenientes, de los cuales los más importantes son la obstrucción de conducciones, abrasión de bombas, desgaste de materiales, etc. puesto que todo esto incide en los costes de explotación o de mantenimiento. Existen partículas muy finas de naturaleza coloidal denominadas coloides que presentan una gran estabilidad en el agua. Tienen un tamaño comprendido entre 0,001 y 1 μm y constituyen una parte importante de la contaminación, causa principal de la turbiedad del agua, y debido a la gran estabilidad que presentan, resulta imposible separarlas por decantación o flotación. Tampoco es posible separarlas por filtración porque pasarían a través de cualquier filtro. La causa de esta estabilidad es que estas partículas presentan cargas superficiales electrostáticas del mismo signo, que hace que existan fuerzas de repulsión entre ellas y les impida aglomerarse para sedimentar. En general, estas cargas son negativas, aunque los hidróxidos de hierro y aluminio suelen tener cargas positivas. El tratamiento físico-químico del agua residual tiene como objetivo la reducción de sólidos en suspensión mediante la adición de ciertos productos químicos que provocan la alteración del estado físico de estas sustancias hasta convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.34 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Mediante este tratamiento se puede llegar a los siguientes porcentajes de eliminación: • 80 - 90% de la materia total suspendida • 40 - 70% de la DBO5 • 30 - 40% de la DQO 1.3.4.1. Etapas del tratamiento físico-químico Para romper la estabilidad de las partículas coloidales y poderlas separar, es necesario realizar tres operaciones: coagulación, floculación y decantación o flotación posterior. • COAGULACIÓN La coagulación consiste en desestabilizar los coloides por neutralización de sus cargas, dando lugar a la formación de un flóculo o precipitado. La coagulación de las partículas coloidales se consigue añadiéndole al agua un producto químico (electrolito) llamado coagulante. Normalmente se utilizan las sales de hierro y aluminio. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.35 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Los factores que influyen en el proceso de coagulación son los siguientes: • pH: es un factor crítico en el proceso de coagulación. Siempre hay un intervalo de pH en el que un coagulante específico trabaja mejor, que coincide con el mínimo de solubilidad de los iones metálicos del coagulante utilizado. Si el pH del agua no fuera el adecuado, se puede modificar mediante el uso de coadyuvantes o ayudantes de la coagulación, entre los que se encuentran: cal viva o apagada, carbonato sódico, sosa cáustica o ácidos minerales. • Agitación rápida de la mezcla: para que la coagulación sea óptima, es necesario que la neutralización de los coloides sea total antes de que comience a formarse el flóculo o precipitado. Es necesario que el reactivo empleado se difunda con la mayor rapidez posible, ya que el tiempo de coagulación es muy corto (1 segundo). • Tipo y cantidad de coagulante: los coagulantes principalmente utilizados son las sales de aluminio y de hierro. La selección del coagulante y la dosis exacta necesaria en cada caso, sólo puede ser determinada mediante ensayos de laboratorio (Jar-Test). Las reacciones de precipitación que tienen lugar con cada coagulante son las siguientes: Sulfato de aluminio o sulfato de alúmina, Al2(SO4)3 Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.36 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 Rango de pH para la coagulación óptima: 5-7,5. Dosis: en tratamiento de aguas residuales, de 100 a 300 g/m3, según el tipo de agua residual y la exigencia de calidad. Cal, Ca(OH)2: Al2(SO4)3 + Ca(OH)2 = 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 Dosis: se necesita de cal un tercio de la dosis de sulfato de alúmina comercial. Carbonato de sodio, Na2CO3: Al2(SO4)3 + 3 H2O + 3 Na2CO3 = 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 Dosis: se necesita entre el 50 y el 100% de la dosis de sulfato de aluminio comercial. Sulfato ferroso, FeSO4, con alcalinidad neutral: FeSO4 + Ca(HCO3)2 = Fe(OH)2 + CaSO4 + CO2 Fe(OH)2 + O2 + H2O = Fe(OH)3 Rango de pH para la coagulación óptima, alrededor de 9,5. Dosis: se necesitan de 200 a 400 g/m3 de reactivo comercial FeSO4 7H2O Sulfato ferroso, FeSO4, con cal: Fe(SO4)2 + Ca(OH)2 = Fe(OH)2 + Ca(SO4) Fe(OH)2 + O2 + H2O = Fe(OH)3 Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.37 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Dosis de cal: el 26% de la dosis de sulfato ferroso. Sulfato férrico, Fe2(SO4)3, con alcalinidad natural: Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 Rango de pH para la coagulación óptima: entre 4 y 7, y mayor que 9. Dosis: de 10 a 150 g/m3 de reactivo comercial Fe2(SO4)3 9H2O Sulfato férrico, Fe2(SO4)3, con cal: Fe2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 Dosis de cal: el 50% de la dosis de sulfato férrico. Cloruro férrico, FeCl3, con alcalinidad natural: 2 FeCl3 + 3 Ca(HCO3)2 = 3 CaCl2 + 2 Fe(OH)3 + 6 CO2 Rango de pH para la coagulación óptima: entre 4 y 6, y mayor de 8. Dosis: de 5 a 160 g/m3 de reactivo comercial FeCl3 6H2O Cloruro férrico, FeCl3, con cal: 2 FeCl3 + 3 Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaCl2 • FLOCULACIÓN La floculación produce la unión entre los flóculos ya formados con el fin aumentar su volumen y peso de forma que puedan decantar. De esta forma se consigue un aumento considerable de la densidad de las partículas coaguladas, aumentando por tanto la velocidad de sedimentación de los flóculos. Existen además ciertos productos químicos llamados floculantes que ayudan en el proceso de floculación, reuniendo las partículas individuales en aglomerados y aumentando la calidad del flóculo (flóculo más pesado y voluminoso). Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.38 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Hay diversos factores que influyen en la floculación: 1. Coagulación previa lo más perfecta posible. 2. Agitación lenta y homogénea. La floculación es estimulada por una agitación lenta de la mezcla puesto que así se favorece la unión entre los flóculos. Un mezclado demasiado intenso no interesa porque rompería los flóculos ya formados. 3. Temperatura del agua. La influencia principal de la temperatura en la floculación es su efecto sobre el tiempo requerido para una buena formación de flóculos. Generalmente, temperaturas bajas dificultan la clarificación del agua, por lo que se requieren periodos de floculación más largos o mayores dosis de floculante. 4. Características del agua. Un agua que contiene poca turbiedad coloidal es de floculación más difícil, ya que las partículas sólidas en suspensión actúan como núcleos para la formación inicial de flóculos. 5. Tipos de floculantes. Según su naturaleza, los floculantes pueden ser: Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.39 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Minerales: por ejemplo la sílice activada. Se le ha considerado como el mejor floculante capaz de asociarse a las sales de aluminio. Se utiliza sobre todo en el tratamiento de agua potable. Orgánicos: son macromoléculas de cadena larga y alto peso molecular, de origen natural o sintético. Los floculantes orgánicos de origen natural se obtienen a partir de productos naturales como alginatos (extractos de algas), almidones (extractos de granos vegetales) y derivados de la celulosa. Su eficacia es relativamente pequeña. Los de origen sintético son macromoléculas de cadena larga, solubles en agua, conseguidas por asociación de monómeros simples sintéticos, alguno de los cuales poseen cargas eléctricas o grupos ionizables, por lo que se le denominan polielectrolitos. Según el carácter iónico de estos grupos activos, se distinguen: Polielectrolitos no iónicos: son poliacrilamidas de masa molecular comprendida entre 1 y 30 millones. Polielectrolitos aniónicos: caracterizados por tener grupos ionizados negativamente (grupos carboxílicos). Polielectrolitos catiónicos: caracterizados por tener en sus cadenas una carga eléctrica positiva, debida a la presencia de grupos amino. La selección del polielectrolito adecuado se hará mediante ensayos JarTest. • DECANTACIÓN O FLOTACIÓN Esta última etapa tiene como finalidad el separar los agregados formados del seno del agua. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.40 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1.3.4.2. Descripción del tratamiento físico-químico La depuración físico-química tiene tres fases: coagulación, coadyuvación y floculación. El tratamiento físico-químico puede constituir una única etapa dentro del tratamiento del agua residual o bien puede interponerse como proceso de depuración complementario entre el pretratamiento y el tratamiento biológico. El proceso de coagulación se efectúa en un sistema que permita una mezcla rápida y homogénea del producto coagulante con el agua residual, llamado mezclador rápido o coagulador. Consiste en una cámara de mezcla provista de un sistema de agitación que puede ser del tipo de hélice o turbina. El tiempo de retención es de 0,3 a 5 minutos. El reactivo (coagulante) se almacena en un depósito específico que puede ser de material diverso como PRFV, polietileno, metálico con imprimación, etc. El coagulante debe ser dosificado en el agua residual en forma de disolución a una concentración determinada. En algunos casos, el reactivo se recibe en la planta disuelto y se almacena en los depósitos. Otras veces se recibe en estado Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.41 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas sólido, en cuyo caso, el tanque utilizado para su almacenamiento debe estar provisto de un sistema de agitación para la preparación de la disolución. El transporte del producto desde el depósito de almacenamiento hasta la cámara de mezcla se lleva a cabo mediante una bomba dosificadora. La coadyuvación tiene como finalidad llevar el vertido a un pH óptimo para ser tratado, para lo que se utilizan ciertos productos químicos llamados coadyuvantes o ayudantes de coagulación. Este proceso tiene lugar en la misma cámara donde se realiza la coagulación. Como en el caso del coagulante, el coadyuvante se prepara en un dispositivo aparte provisto de un sistema de agitación. Igualmente, para la adición del reactivo al agua residual se emplea una bomba dosificadora. Una vez coagulado, el efluente pasa a la siguiente etapa, denominada floculación. En dicha etapa se le añade al agua un producto químico llamado floculante (polielectrolito). La floculación puede tener lugar en un floculador separado o bien en el interior de un decantador. Los floculadores son depósitos provistos de sistemas de agitación que giran con relativa lentitud para no romper los flóculos formados durante la coagulación. El tiempo de retención en estos sistemas suele ser de 10 a 30 minutos. Los sistemas de agitación pueden estar constituidos por hélices o por un conjunto de palas fijadas sobre un eje giratorio horizontal o vertical. Otra posibilidad es realizar el proceso de coagulación-floculación y decantación en una sola unidad. En este caso, el decantador lleva incorporado un sistema de recirculación de lodos para mejorar el crecimiento de las partículas y facilitar su sedimentación. Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.42 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La dosificación del polielectrolito también se hace en forma de disolución y, debido a las características propias del reactivo (alta viscosidad), su preparación requiere un especial cuidado. El depósito de almacenamiento del polielectrolito deberá disponer de un agitador para poder proceder a su acondicionamiento y la aplicación del reactivo al agua residual se realiza mediante una bomba especial para este tipo de producto (bombas de desplazamiento y caudal variable, bombas tipo mono, de engranaje, pistón, etc.). 1.3.4.3. Diseño del tratamiento físico-químico A continuación se presenta una tabla de los datos más representativos del diseño del tratamiento físico-químico. DATOS DEL DISEÑO DEL TRATAMIENTO FÍSICO-QUÍMICO RENDIMIENTOS Reactivo Reducción DBO5 (%) Reducción SS (%) Polielectrolito 50-60 65-75 Sales metálicas 65-75 85-90 PARÁMETROS DE LA FLOCULACIÓN Tiempo de retención de mezcla y floculación > 15 minutos Velocidad periférica de floculación 0,45 m/s PARÁMETROS DE LA DECANTACIÓN Velocidad ascensional (con polielectrolito) < 1,5 m/h Velocidad ascensional (con sales metálicas) < 2 m/h Altura sobre vertedero >3m Velocidad periférica de floculación 0,45 m/s Carga sobre vertedero a caudal máximo < 40 m3/h·m lineal Velocidad de las rasquetas < 100 m/h Unidad 1: Pretratamiento y Tratamientos Primarios 1.43 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 2 2.2. FUNDAMENTO DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS .............. 3 2.2.1. PROCESOS DE OXIDACIÓN BIOLÓGICA.......................................... 3 2.2.2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA OXIDACIÓN BIOLÓGICA ... 5 2.2.3. LOS PROCESOS DE NITRIFICACIÓN-DESNITRIFICACIÓN ............. 7 2.3. PROCESO DE LODOS ACTIVOS................................................................ 8 2.3.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.................................................. 8 2.3.2. CONTROL DEL PROCESO DE LODOS ACTIVOS ........................... 11 2.3.3. TIPOS DE PROCESOS DE LODOS ACTIVOS.................................. 14 2.3.3.1. PROCESOS CONVENCIONALES................................................ 14 2.3.3.2. AIREACIÓN PROLONGADA ........................................................ 16 2.3.3.3. CANALES DE OXIDACIÓN........................................................... 18 2.3.3.4. PROCESOS DE BIOADSORCIÓN ............................................... 20 2.3.4. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES DE LODOS ACTIVOS ... 21 2.4. PROCESO DE CULTIVO FIJO................................................................... 24 2.4.1. LECHOS BACTERIANOS .................................................................. 24 2.4.2. REACTOR BIOLÓGICO ROTATIVO DE CONTACTO ....................... 29 2.5. PROCESOS DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES ............... 31 2.5.1. ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO ........................................................ 33 2.5.2. ELIMINACIÓN DE FÓSFORO............................................................ 40 2.5.3. ELIMINACIÓN CONJUNTA DE NITRÓGENO Y FÓSFORO ............. 43 Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.1 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.1. INTRODUCCIÓN Cuando las aguas residuales entran en una estación depuradora, primero se tratan en un pretratamiento en el que se retiran los sólidos y gruesos de gran tamaño, así como las arenas y grasas. A continuación, el agua pasa al denominado tratamiento primario, donde se eliminan los sólidos en suspensión fácilmente sedimentables y una parte de la materia orgánica. La materia orgánica que queda disuelta y en suspensión, así como el resto de las partículas sólidas que no se han eliminado en los tratamientos anteriores, son eliminadas mediante los denominados procesos biológicos, que en la línea de aguas constituyen los tratamientos secundarios. 6. Tratamiento biológico; 7. Decantación secundaria; 8. Desinfección y salida Los procesos biológicos de depuración aerobia son aquellos realizados por un determinado grupo de microorganismos (principalmente bacterias y protozoos), que en presencia de oxígeno, actúan sobre la materia orgánica e inorgánica disuelta, suspendida y coloidal existente en el agua residual, transformándola en gases y materia celular, que puede separarse fácilmente mediante sedimentación. La unión Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.2 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas de materia orgánica, bacterias y sustancias minerales forma los flóculos y el conjunto de flóculos es lo que se conoce como lodo biológico. Los objetivos que persigue este tipo de tratamiento son: • La transformación de la materia orgánica. • La coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables. • La disminución de los microorganismos patógenos y fecales que habitan el agua residual. • En el caso de algunas aguas residuales urbanas, también se persigue la eliminación de nitrógeno y de fósforo. Básicamente, existen dos tipos de tratamientos biológicos aerobios: • Procesos de cultivo en suspensión (lodos activos). • Procesos de cultivo fijo (lechos bacterianos). 2.2. FUNDAMENTO DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS 2.2.1. PROCESOS DE OXIDACIÓN BIOLÓGICA La oxidación biológica es el mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual. De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha materia orgánica en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción: Materia orgánica + microorganismos + nutrientes + O2 Æ productos finales + nuevos microorganismos + energía Para que lo anteriormente expuesto se produzca, son necesarias dos tipos de reacciones fundamentales: de síntesis o asimilación y de respiración endógena u oxidación. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.3 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • REACCIONES DE SÍNTESIS O ASIMILACIÓN Consisten en la incorporación del alimento, consistente en materia orgánica (CHNO) y nutrientes, al interior de los microorganismos. Estos microorganismos al obtener suficiente alimento no engordan, sino que forman nuevos microorganismos (C5H7O2) reproduciéndose rápidamente, y parte de este alimento es utilizado como fuente de energía. La reacción que ocurre es la siguiente: bacterias CHNO + O 2 + nutrientes ⎯⎯ ⎯⎯→ CO 2 + NH3 + C 5 H7 O 2 + otros productos finales Como se puede observar, después de un tiempo de contacto suficiente entre la materia orgánica del agua residual y los microorganismos (bacterias), la materia orgánica del medio disminuye considerablemente transformándose en nuevas células, gases y otros productos. Este nuevo cultivo microbiano seguirá actuando sobre el agua residual. • REACCIONES DE OXIDACIÓN Y RESPIRACIÓN ENDÓGENA Los microorganismos al igual que nosotros, necesitan energía para poder realizar sus funciones vitales (moverse, comer etc.), y dicha energía la obtienen transformando la materia orgánica asimilada y aquella acumulada en forma de sustancias de reserva en gases, agua y nuevos productos de acuerdo con la siguiente reacción: bacterias C 5 H 7 NO 2 + 5O 2 ⎯⎯ ⎯⎯→ 5CO 2 + 2H 2 O + NH3 + energía En el caso de que los compuestos nitrogenados (nitrógeno orgánico y amoniacal, fundamentalmente) sean oxidados completamente y se produzca la nitrificación, la expresión debe modificarse por la siguiente: bacterias C 5 H 7 NO 2 + 7O 2 ⎯⎯ ⎯⎯→ 5CO 2 + 3H 2 O + NO 3- + H - + energía Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.4 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.2.2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA OXIDACIÓN BIOLÓGICA Los factores principales que hay que tener en cuenta para que se produzcan las reacciones biológicas y, por tanto, la depuración del agua residual son: • CARACTERÍSTICAS DEL SUSTRATO Las características físicas y químicas de los contaminantes del agua residual determinan el tipo de reacciones biológicas que tendrán lugar y los microorganismos que se desarrollan en el sistema. La biodegradabilidad de los compuestos contaminantes es fundamental para restablecer el rendimiento de los procesos biológicos. • NUTRIENTES El interior celular, además de C, H y O (elementos característicos de la materia orgánica), contiene otros elementos como son el N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Fe, etc., denominados nutrientes y que a pesar de que muchos de ellos se encuentran en el organismo sólo en pequeñas cantidades, son fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica. Se ha determinado a nivel medio que los microorganismos para sobrevivir necesitan por cada kg de DBO5 eliminada: 43 g de N y 6 g de P. En las aguas residuales urbanas la media de concentración de N y P es de 200 g de N y 16 g de P por kg de DBO5. Por lo tanto, si se compara lo que necesitan los microorganismos para sobrevivir, con las cantidades existentes de dichos elementos en el agua residual, se puede concluir que a título general dichos microorganismos pueden desarrollarse en el agua residual perfectamente. Es interesante comentar que en el caso de determinadas aguas con vertidos industriales, las proporciones de dichos elementos no están equilibradas, siendo Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.5 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas necesario a veces dosificar N y P en el agua, para que pueda darse el desarrollo bacteriano y exista depuración biológica. • APORTE DE OXÍGENO Para el desarrollo de las reacciones biológicas es necesario un medio aerobio, es decir, con oxígeno suficiente que permita el desarrollo y la respiración de los microorganismos aerobios. • TEMPERATURA A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad con que los microorganismos degradan la materia orgánica, pero a partir de los 37ºC, dichos organismos mueren. Nuestras temperaturas son ideales para el desarrollo óptimo de los procesos de depuración biológica. • SALINIDAD El contenido en sales disueltas no suele ser problemático para el desarrollo bacteriano en el proceso de lodos activos hasta concentraciones de 1,6 g/l de NH3 o 15 g/l de Cl-. En aguas con una concentración mayor de 5 g/l de cloruros se pueden producir problemas de desfloculación del lodo, por lo cual se aconseja comprobar los parámetros de diseño del reactor y del decantador en una planta piloto. • TÓXICOS O INHIBIDORES Existen una serie de sustancias orgánicas e inorgánicas que, a ciertas concentraciones, inhiben o impiden los procesos biológicos. Este tipo de sustancias, entre las que se encuentran los metales pesados, ejercen un efecto perjudicial sobre los microorganismos encargados de depurar el agua, y por tanto, no deben estar presentes en los influentes de las plantas depuradoras, o por lo menos, en concentraciones muy bajas. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.6 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Todos estos factores mencionados son de gran importancia, y deben de ser controlados si se quiere obtener un rendimiento eficaz de depuración por parte de los microorganismos encargados de degradar la materia orgánica del agua residual. 2.2.3. LOS PROCESOS DE NITRIFICACIÓN-DESNITRIFICACIÓN Estos procesos son llevados a cabo por determinados grupos de microorganismos bacterianos que se utilizan en las plantas de tratamiento de aguas residuales, que persiguen, además de la eliminación de materia orgánica, la eliminación de nitrógeno. La eliminación de la materia nitrogenada es necesaria cuando el efluente de la EDAR se va a verter en embalses o masas de agua utilizadas para captación de aguas potables y, en general, a las denominadas por ley como zonas sensibles. • PROCESO DE NITRIFICACIÓN La nitrificación es el proceso en el que el nitrógeno orgánico y amoniacal se oxida, transformándose primero en nitrito y, posteriormente, en nitrato. Estas reacciones las llevan a cabo bacterias autótrofas muy especializadas, diferentes de aquellas que se encargan de degradar la materia orgánica del medio (bacterias heterótrofas). Este tipo de bacterias, se reproducen más lentamente y son muy sensibles a los cambios de su medio habitual. Las condiciones óptimas de crecimiento son un pH entre 7,2 y 8,5 y una alcalinidad del orden de 100 g CaCO3/l. A su vez, necesitan de un aporte de oxígeno suplementario para que sean capaces de desarrollar las reacciones anteriormente mencionadas, de esta forma en las cubas de aireación de lodos activados necesitan de un nivel de oxígeno de al menos 2 mg/l. • PROCESO DE DESNITRIFICACIÓN Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.7 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La desnitrificación consiste en la reducción de los nitratos y nitritos a nitrógeno libre, por la acción de un grupo de bacterias llamadas desnitrificantes, que son bacterias heterótrofas que pueden utilizar el oxígeno de los nitratos para las reacciones de síntesis y oxidación biológica. Dicha forma de nitrógeno tenderá a salir a la atmósfera, consiguiéndose así, la eliminación de nitrógeno en el agua. Para que las bacterias desnitrificantes actúen, es necesario que el agua tenga una alta carga de materia orgánica, una fuente de nitratos elevada, muy poco oxígeno libre y un pH situado entre 7 y 8. El oxígeno asociado a los nitratos es la única fuente de oxígeno necesaria para llevar a cabo sus funciones vitales. De esta forma los niveles de oxígeno libre en el medio donde actúan deben de ser inferiores a los 0,2 mg/l. Es interesante comentar que el tiempo mínimo de contacto entre el agua y las bacterias desnitrificantes debe de ser suficiente para que se produzcan las reacciones deseadas, estimándose un tiempo mínimo de 1,5 horas a caudal medio. 2.3. PROCESO DE LODOS ACTIVOS El proceso de lodos activos es un sistema de tratamiento de las aguas residuales en el que se mantiene un cultivo biológico formado por diversos tipos de microorganismos y el agua residual a tratar. Los microorganismos se alimentan de las sustancias que lleva el agua residual para generar más microorganismos y en el proceso se forman unas partículas fácilmente decantables que se denominan flóculos y que en conjunto constituyen los denominados lodos activos o biológicos. 2.3.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO En el proceso de lodos activados pueden distinguirse dos operaciones claramente diferenciadas: la oxidación biológica y la separación sólido-líquido. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.8 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La primera tiene lugar en el denominado reactor biológico o cuba de aireación, donde se va a mantener el cultivo biológico en contacto con el agua residual. El cultivo biológico, denominado licor mezcla, está formado por gran número de microorganismos agrupados en flóculos conjuntamente con materia orgánica y sustancias minerales. Dichos microorganismos transforman la materia orgánica mediante las reacciones de oxidación biológica anteriormente mencionadas. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.9 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La población de microorganismos debe de mantenerse a un determinado nivel, concentración de sólidos en suspensión en el licor de mezcla (SSLM), para llegar a un equilibrio entre la carga orgánica a eliminar y la cantidad de microorganismos necesarios para que se elimine dicha carga. En el reactor biológico es necesario disponer de un sistema de aireación y agitación que produzca el oxígeno necesario para la acción depuradora de las bacterias aerobias, que permita la homogenización de la cuba y, por tanto, que todo el alimento llegue igual a todos los organismos y que evite la sedimentación de los flóculos y el lodo. Una vez que la materia orgánica ha sido suficientemente oxidada, lo que requiere un tiempo de retención del agua en el reactor, el licor mezcla pasará al denominado decantador secundario o clarificador. En esta unidad, el agua con lodo se deja reposar y, por tanto, los lodos floculados tienden a sedimentarse, consiguiéndose separar el agua clarificada de los lodos. El agua clarificada constituye el efluente que se vierte al cauce o al tratamiento terciario, y parte de los lodos floculados son recirculados de nuevo al reactor biológico para mantener en el mismo una concentración suficiente de Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.10 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas organismos. El excedente de lodos, se extrae del sistema y se evacua hacia el tratamiento de lodos. 2.3.2. CONTROL DEL PROCESO DE LODOS ACTIVOS Son una serie de parámetros que se han de tener en cuenta a la hora de diseñar la cuba de aireación y el clarificador, siendo a su vez controlados para mantener un óptimo funcionamiento de la planta. Dichos parámetros son: • CARGA MÁSICA (Cm) Es la relación que existe entre la carga de materia orgánica que entra en el reactor biológico por unidad de tiempo, y la masa de microorganismos existentes en el mismo. Se expresa en kg de DBO5 en el influente, por día, y por kg SSLM en el reactor: Cm = Q ⋅ S0 V⋅X siendo: Q: caudal (m3/h) S0: DBO5 de entrada (kg/m3) V: volumen (m3) X: concentración de sólidos en suspensión del licor de mezcla (SSLM) de la cuba de aireación (kg/m3) • EDAD DEL LODO (E) Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.11 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Es la relación entre la masa de lodos existentes en la cuba de aireación y la masa de lodos en exceso extraídos por unidad de tiempo. Se expresa en kg de SSLM en el reactor por kg de lodos en exceso y por día: E= V⋅X Q w ⋅ Xr siendo: Qw: caudal de la purga de lodos (m3/h) Xr: concentración de sólidos en suspensión de la purga de lodos, igual a la de los lodos recirculados (kg/m3) • TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA (T) Es el tiempo de permanencia en el reactor del agua que entra en él. Para que se pueda dar el proceso de oxidación biológica, es necesario que los microorganismos permanezcan un tiempo de contacto suficiente con las aguas residuales. Este tiempo de retención es uno de los parámetros que hay que tener en cuenta para diseñar los tanques, ya que en relación con el caudal a tratar y el tiempo que debe permanecer el caudal en el tanque, calcularemos el volumen del mismo. Se expresa en unidades de tiempo (horas o minutos): T= • V Q RENDIMIENTO (R) Es la relación que existe entre la masa de materia orgánica eliminada y la del influente que entra en el reactor biológico. Se expresa en %. R= S0 − Se S0 Se: DBO5 de salida del decantador (kg/m3) Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.12 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • NIVEL DE OXÍGENO DISUELTO El oxígeno que se aporte al tanque de aireación debe de ser suficiente para que los microorganismos puedan respirar y se pueda oxidar la materia orgánica. La relación entre la cantidad de oxígeno y la cantidad de alimento debe estar regulada y mantenerse estable. Una descompensación en un sentido o en otro, puede dar lugar a una aparición de organismos filamentosos que tienden a flotar en el decantador secundario, alterando totalmente la separación sólido-líquido y tendiendo a ser lavados con el efluente. El nivel de oxígeno disuelto suele medirse con sensores que dan información inmediata de las cantidades de oxígeno en el tanque, y a partir de esta información los sistemas de agitación y de aireación se ponen en marcha o se paran. La agitación debe de estar bien controlada, para que el oxígeno y el alimento se distribuyan homogéneamente por toda la cuba. • RECIRCULACIÓN DE LODOS La finalidad de la recirculación de lodos es mantener una concentración suficiente de lodos activos en el reactor biológico, de forma que se pueda mantener el grado de tratamiento deseado. La relación de recirculación Qr/Q (caudal de lodos recirculados/caudal de agua a tratar), se puede calcular a partir del siguiente balance: (Q r + Q) ⋅ X = Q r ⋅ X r siendo: Qr caudal de lodos recirculados (m3/h) Xr: concentración de sólidos en suspensión de los lodos recirculados (kg/m3) De lo anterior se deriva: Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.13 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Qr X = Q (X r − X) 2.3.3. TIPOS DE PROCESOS DE LODOS ACTIVOS En función de los objetivos de calidad requeridos en el efluente, la depuración puede consistir en la eliminación de la materia orgánica carbonada, o también llevar asociada la reducción de la materia nitrogenada. De esta forma se pueden distinguir distintos tipos de procesos, entre los que se encuentran los procesos convencionales, los de aireación prolongada, los canales de oxidación y procesos de bioadsorción. 2.3.3.1. Procesos convencionales Se entiende por proceso convencional aquel de carga media (entre 0,2 y 0,4), diseñado para eliminar exclusivamente la materia orgánica carbonada en flujo continuo. El proceso convencional tiene tres variantes fundamentales: flujo pistón, mezcla completa y alimentación escalonada. • FLUJO PISTÓN Se lleva a cabo en un tanque de aireación rectangular, seguida de un decantador secundario. Tanto el agua residual como el lodo recirculado desde el decantador, entran en la cuba por un extremo y son aireados por un período de 6 horas, tiempo en el que se produce la adsorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Se utiliza para aguas domésticas no muy concentradas. El proceso es susceptible a cargas de choque. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.14 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • MEZCLA COMPLETA En este proceso, el contenido total del tanque (agua residual y lodos) se mezcla uniformemente. El agua residual de entrada al proceso y los lodos recirculados, se mezclan e introducen en diversos puntos del tanque de aireación a lo largo de un canal central. De esta forma se consigue que tanto la demanda de oxígeno como la carga orgánica sean homogéneas de un extremo al otro de la cuba de aireación. El proceso es usado en aplicaciones generales, siendo resistente frente a cargas de choque. • ALIMENTACIÓN ESCALONADA El agua residual se introduce en distintos puntos de la cuba de aireación y los lodos recirculados por un extremo. Conseguimos disminuir las demandas puntas de oxígeno, consiguiéndose mejores propiedades de adsorción de la materia orgánica a los flóculos, siendo eliminada por un período más corto. Este proceso es de aplicación general. En la siguiente tabla se presentan los parámetros de dimensionamiento de los procesos convencionales de media carga. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.15 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas PARÁMETROS DE DISEÑO DE LOS PROCESOS CONVENCIONALES DE LODOS ACTIVOS RENDIMIENTO DEL PROCESO DBO5 (%) 85-95 % SS (%) 85-95 % REACTOR BIOLÓGICO Carga másica Cm (kg DBO5 /día·kg SSLM) Edad del lodo (días) 0,2 – 0,4 5 – 15 Concentración SSLM (mg/l) Tiempo de retención hidráulica T (h) Demanda teórica de O2 (kg O2/kg DBO5 elim) 2.500 – 4.000 3-8 0,8 – 1 RECIRCULACIÓN DE LODOS Relación de recirculación Qr/Q 75 – 100 % PRODUCCIÓN DE LODOS Con decantación primaria previa (kg MS/kg DBO5 elim) 0,8 – 0,9 Sin decantación primaria previa (kg MS/kg DBO5 elim) 1,0 – 1,1 2.3.3.2. Aireación prolongada Este proceso requiere cargas no muy altas y tiempos de aireación prolongados. Además, es flexible frente a variaciones de carga. Suele aplicarse a plantas pequeñas que tratan menos de 10.000 habitantesequivalentes (h-e), aunque en la actualidad existen plantas de este tipo que tratan hasta 50.000 h-e. Las instalaciones de aireación prologada prescinden de decantación primaria, de manera que el agua pasa directamente desde el pretratamiento hasta el tanque de aireación y pasa después al decantador secundario. Las ventajas más interesantes de este proceso son: • La sencillez de su funcionamiento y explotación. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.16 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • La eliminación del proceso posterior de estabilización de los lodos, ya que éstos salen completamente estabilizados del reactor biológico. • Cuando el suministro de oxígeno es suficiente se produce la nitrificación, por lo que con pequeñas modificaciones puede eliminar el nitrógeno, introduciendo una etapa de desnitrificación. • Menor producción de lodo que en los procesos convencionales. Su mayor inconveniente es el alto coste de la explotación, debido a los altos costes energéticos producidos por las necesidades de agitación en los reactores biológicos. Además, debido a que la carga másica es muy pequeña, el volumen del reactor biológico es de 3 a 5 veces mayor que en el caso del proceso convencional. En la siguiente tabla se presentan los parámetros de dimensionamiento de los procesos de aireación prolongada de media carga. PARÁMETROS DE DISEÑO DE LOS PROCESOS DE AIREACIÓN PROLONGADA RENDIMIENTO DEL PROCESO DBO5 (%) 90 - 95 % SS (%) 90 -95 % REACTOR BIOLÓGICO Carga másica Cm (kg DBO5 /día·kg SSLM) Edad del lodo (días) < 0,05 20 – 30 días Concentración SSLM (mg/l) Tiempo de retención hidráulica T (h) Demanda teórica de O2 (kg O2/kg DBO5 elim) 3.000 – 5.000 20 - 36 2,0 – 2,4 RECIRCULACIÓN DE LODOS Relación de recirculación Qr/Q 100 - 150 % PRODUCCIÓN DE LODOS Producción de lodos (kg MS/kg DBO5 elim) Unidad 2: Tratamientos Secundarios 0,7 - 1,0 2.17 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.3.3.3. Canales de oxidación La oxidación biológica tiene lugar en un canal circular cerrado, provisto de aireadores superficiales horizontales (rotores que provocan la aireación y circulación de los lodos). Cuando se diseñó este tipo de procesos su funcionamiento era discontinuo, funcionando el canal como reactor biológico y decantador alternativamente. Actualmente funciona de forma continua, estando el canal seguido de un clarificador. Generalmente se diseña para tratar una baja carga, si bien funciona excelentemente a media carga y es flexible a las variaciones. Debido a la geometría de los canales, se pueden obtener zonas más oxigenadas con nitrificación y zonas muy poco oxigenadas con desnitrificación, por lo que es un sistema bueno para eliminar materia orgánica y nitrógeno. Existen diversas variantes de este tipo de sistemas, entre las que se encuentran: • CARRUSEL En este sistema el tanque de aireación tiene configuración de canal, pero en lugar de rotores utiliza aireadores de eje vertical instalados frente al tanque divisorio, lo que permite interceptar el régimen de corrientes y utilizar la potencia aplicada en Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.18 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas transferir oxígeno y conseguir un flujo continuo de lodos en el canal suficiente para evitar la sedimentación. Con esta variante se pueden conseguir profundidades del tanque de hasta 4 metros. Además, si se diseñan zonas del tanque con poco oxígeno y alta carga, se consigue eliminar nitrógeno. • PROCESO ORBAL Este sistema consiste en una serie de canales concéntricos, en los que las cantidades de oxígeno suministrado varían de un canal a otro. El agua pasa, inicialmente, al canal periférico y a través de pasos sumergidos, va circulando de un canal a otro para llegar finalmente a un decantador. La característica principal del sistema Orbal es el diferente grado de oxigenación que se mantiene en los distintos canales, típicamente operando en 0, 1 y 2 ppm de oxígeno disuelto en el primer, segundo y tercer canal respectivamente. El sistema es idóneo para procesos de nitrificación-desnitrificación, ya que el agua entra en el primer canal y el lodo allí existente empieza a degradar la materia orgánica, empezando a desarrollarse bacterias desnitrificantes (zona de poco oxígeno), posteriormente el agua va pasando por los canales más oxigenados en los que se producen procesos de oxidación biológica y nitrificación. El licor mezcla se recircula del tercer al primer canal, permitiendo que los nitratos formados sean transformados en nitrógeno atmosférico por las bacterias desnitrificantes. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.19 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.3.3.4. Procesos de bioadsorción La bioadsorción es el fenómeno mediante el cual la materia orgánica se adhiere a la superficie de los flóculos y es degradada por las bacterias allí existentes. Este fenómeno es más acusado cuanto mejor funciona un lodo activo y presenta flóculos mejor formados. Podemos distinguir dos tipos de procesos de lodos activos que aprovechan las propiedades bioadsorbentes de los flóculos: el de contacto-estabilización y el proceso de doble etapa. • CONTACTO-ESTABILIZACIÓN La alimentación del agua residual en el proceso biológico tiene lugar en dos etapas que se desarrollan en tanques separados. La primera etapa es la fase de adsorción que se desarrolla en el primer tanque durante 20-60 minutos. En ella se adsorben en los flóculos una buena parte de la materia orgánica disuelta, suspendida y coloidal existente en el agua residual. A continuación el agua pasa a un clarificador y el lodo decantado pasa al segundo tanque de aireación donde se le da tiempo suficiente para que se produzca la oxidación de la materia orgánica por las bacterias. Este tipo de proceso es muy flexible y se utiliza muchas veces como ampliación de plantas existentes. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.20 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • PROCESO DE DOBLE ETAPA El proceso de doble etapa consiste en realizar una depuración biológica en dos etapas, cada una de las cuales tiene un reactor biológico y un decantador secundario. En la primera etapa se alimenta el primer tanque con cargas elevadas, con un corto período de oxigenación, lo que favorece el desarrollo de microorganismos resistentes a elevadas cargas y sustancias tóxicas favoreciéndose las propiedades adsorbentes de los flóculos. En la segunda etapa se establece una carga media o baja, con un alto contenido en oxígeno, funcionando de forma similar a los procesos convencionales, es decir, es predominante la oxidación biológica. Este sistema es interesante para aguas residuales con fuertes variaciones de carga, de pH, contaminantes tóxicos etc., es decir, aguas residuales con fuerte componente industrial. 2.3.4. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES DE LODOS ACTIVOS Las instalaciones de lodos activos se componen del tanque de aireación y del decantador secundario. • TANQUE DE AIREACIÓN Los tanques son, generalmente, abiertos y construidos en hormigón armado. La configuración hidráulica debe garantizar que, frente a las normales variaciones de caudal, la altura del licor mezcla no varíe en más de 30 cm. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.21 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas El sistema de aireación puede llevarse a cabo por turbinas o por difusores, y se deben de tomar las precauciones necesarias para evitar los ruidos molestos producidos por los sistemas de aporte de aire. Para plantas pequeñas, la regulación en la oxigenación se realiza mediante arranque y parada de los equipos controlados por temporizadores. Para plantas grandes, la regulación debe ser obligatoriamente en función del oxígeno disuelto en el reactor biológico. Resulta interesante disponer de un dispositivo de control de espumas, que puede consistir en boquillas pulverizadores montadas a lo largo del borde superior del tanque de aireación. • DECANTADORES SECUNDARIOS O CLARIFICADORES Existen cuatro tipos fundamentales de decantadores secundarios: Decantadores circulares de rasquetas Son decantadores de forma circular con sistema de barrido de lodos radial. Es conveniente que las rasquetas de barrido de lodos no formen una sola unidad y que sean fácilmente desmontables y extraíbles. El sistema de arrastre de lodos se desplaza normalmente con una velocidad de 120 m/h (perimetral). La pendiente de solera es del 4 al 10% y el calado de borde entre 2,5 y 3,5 m. El decantador dispone de un sistema de recogida superficial de espumas y flotantes. Se recomienda disponer paletas de espesamiento en el pozo central de recogida de los lodos. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.22 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Decantadores de succión Se instalan para decantadores circulares con un diámetro superior a 35 m, recomendándose la recogida de lodos por succión y la evacuación de los lodos se hace mediante un sifón. Al igual que los anteriores presenta un sistema de recogida de espumas y flotantes. Decantadores rectangulares de rasquetas Presentan la ventaja de permitir una implantación más compacta de todo el tratamiento biológico. La profundidad suele estar comprendida entre 2,5 y 4 m, siendo la pendiente de solera aproximadamente del 1%. La velocidad máxima de arrastre de lodos es de 60 m/h. El pozo de recogida de lodos se diseña de forma que los lodos no estén retenidos más de 5 horas (válido también para los decantadores circulares). Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.23 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Los carros móviles deben tener fácil acceso y un sistema de paro frente a obstáculos. Presentan sistemas de recogida de espumas y flotantes. Decantadores lamelares Los decantadores lamelares tienen dos propósitos fundamentales: aumentar la superficie de decantación y obtener un flujo laminar. Por estas razones, es un dispositivo que permite reducir las superficies que serían habitualmente necesarias para conseguir una correcta sedimentación de los flóculos formados en el proceso biológico anterior. Todos los tipos de decantadores presentan bombas para la evacuación de lodos y para su recirculación a las cubas de aireación. Los sistemas de extracción de lodos son regulables y controlables mediante temporizadores programables. 2.4. PROCESO DE CULTIVO FIJO En estos procesos, a diferencia de los de lechos activos, se emplea un soporte fijo donde se produce el crecimiento bacteriano. 2.4.1. LECHOS BACTERIANOS El lecho bacteriano es un sistema biológico aerobio de cultivo fijado a un medio soporte o relleno, por el cual el agua residual discurre transversalmente sin Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.24 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas llegar a inundarlo y permitiendo que en los huecos del relleno haya el aire suficiente para la oxigenación de la biopelícula desarrollada. La biopelícula es la capa de microorganismos que crecen adhiriéndose al material soporte. Por esta razón, a los lechos bacterianos también se les denomina filtros percoladores, filtros de escurrimiento o filtros de goteo. Los elementos principales del proceso son: • Reactor biológico: conforma el lecho bacteriano, y tiene un sistema de alimentación de agua residual y un sistema de ventilación (natural o forzada). • Decantador secundario: es el sistema de separación del lodo del agua residual tratada. Tiene un sistema de extracción de lodos (exceso de biomasa). • • Recirculación del agua al reactor. REACTOR BIOLÓGICO La función principal del depósito es la retención o contención del medio soporte para formar así el lecho. El lecho bacteriano debe funcionar aireado y no saturado de agua, por lo que las paredes del depósito no necesitarán resistir el Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.25 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas empuje del agua, sino solamente el empuje del medio soporte recubierto de la biopelícula. Se pueden emplear dos tipos de materiales como soportes de la biopelícula: • Materiales naturales • Materiales de plástico La gran característica de los materiales soportes es la porosidad del mismo para la creación de la biopelícula. Dentro de los materiales naturales pueden emplearse cantos rodados, escoria, coque metalúrgico y antracita. En cuanto a los materiales de plástico, estos se clasifican en dos grandes grupos, ordenados y desordenados. Los materiales de plástico ordenados se presentan en paquetes geométricos, o también pueden ser tubos de 80 a 100 mm de diámetro que llevan tabiques internos para aumentar la superficie específica. Los materiales de plástico desordenados se componen de elementos individuales de un tamaño de 40 a 100 mm, dispuestos directamente en el lecho sin ninguna combinación, con un índice de vacío entre el 95 y el 97% y permiten grandes alturas. Es un material de mayor superficie específica, pero que se suele utilizar cuando el lecho bacteriano se sitúa en la configuración del sistema de depuración de aguas residuales como tratamiento terciario. • FUNCIONAMIENTO DEL FILTRO PERCOLADOR En la parte central se encuentra el distribuidor de agua del tratamiento primario, que está constituido por un brazo diametral perforado que por acción centrífuga gira sobre el material soporte, distribuyendo el agua sobre el mismo. El sistema de alimentación de agua a depurar al lecho bacteriano debe garantizar la distribución uniforme del caudal en toda la superficie del lecho, así como un caudal suficiente de percolación para llevarse las porciones de biopelícula erosionadas o desprendidas. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.26 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas El medio soporte se coloca sobre un falso fondo drenante, que no permite la salida del material de soporte y permite el paso del agua tratada. La solera del depósito se hace con pendientes hacia los canales de evacuación de agua tratada, los cuales pueden ser diametrales en el lecho o bien periféricos. En este último caso la parte del depósito tiene ventanas o huecos en su base en toda la periferia para permitir la ventilación del lecho. Por otra parte, es necesario disponer de un sistema de ventilación para permitir la actividad biológica, y esto se consigue creando una corriente de aire desde la base, bien por tiro natural o ventilación forzada, producida por la diferencia de temperatura entre el aire y el agua. Si el agua a tratar está más caliente que el aire del interior, ésta se calienta y al perder densidad asciende, provocando la entrada de aire más frío por la parte inferior. Para que esta ventilación natural funcione, son necesarias diferencias de temperatura aire-agua superiores a +2ºC y para que funcione óptimamente, superiores a +6ºC. La película biológica incluye bacterias aerobias en la superficie y bacterias anaerobias cerca del fondo. Los subproductos y el gas carbónico producidos por la depuración se evacuan en los fluidos líquidos y gaseosos. Las materias contaminantes contenidas en el agua y el oxígeno del aire difunden, a contracorriente, a través del filme biológico hasta los microorganismos asimiladores. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.27 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La eficacia de los lechos biológicos puede incrementar con la recirculación del agua residual. Consiste en hacer pasar a través del sistema parte del efluente ya depurado, mezclando este agua con el agua que todavía no está tratada y que alimenta el sistema, a fin de que se ponga en contacto con el lecho biológico más de una vez. • INCONVENIENTES DEL FILTRO PERCOLADOR Los inconvenientes de este sistema son: Puesta en marcha muy lenta: son necesarios más de 8 días. Pérdida brusca de la película biológica: se puede deber a un vertido tóxico puntual. Formación de charco en la superficie del lecho: se puede producir por partículas de granulometría elevada y altas cargas para depurar. Problemas de olores: debidos al funcionamiento anaeróbico del proceso. Proliferación de moscas. Formación de espumas en el drenaje: debido a los tensioactivos de detergentes. Formación de hielo: cuando las temperaturas del aire son muy bajas, se puede formar hielo dentro del lecho. • RENDIMIENTO DE DEPURACIÓN DEL FILTRO PERCOLADOR Los porcentajes de depuración del filtro percolador se muestra a continuación, para un agua residual de carga contaminante media. RENDIMIENTO DE DEPURACIÓN DEL FILTRO PERCOLADOR Sólidos en suspensión 75 – 95 % DBO5 80 – 90 % DQO 70 – 85 % N total 20 – 35 % P total 10 – 30 % Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.28 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.4.2. REACTOR BIOLÓGICO ROTATIVO DE CONTACTO Otra técnica que necesita cultivos fijos se compone de discos biológicos giratorios. El reactor biológico rotativo de contacto (del inglés RBC, Rotating Biological Contactor), es un sistema de tratamiento de depuración de aguas que consiste en baterías de discos de diversos materiales colocados en paralelo que se van sumergiendo secuencial y parcialmente (un 40%) en un depósito por donde circula el agua a tratar. Sobre dicho soporte se adhiere y desarrolla una biomasa activa procedente del agua residual, y la cual realiza el efecto depurador del sistema. A estos sistemas se les conoce habitualmente por biodiscos. A estos sistemas se les consideran un sistema de biomasa fija, pues los microorganismos responsables de la depuración trabajan (mayoritariamente) adheridos a los discos que están fabricados en diversos materiales plásticos que los hacen fuertes y ligeros. Los microorganismos se desarrollan y forman una película biológica depuradora en la superficie de los discos. Como los discos están semisumergidos, su rotación permite la oxigenación de la biomasa fijada. Cuando los biodiscos se sumergen en agua a depurar y se ponen en funcionamiento, la biomasa formada por los microorganismos y otros sistemas biológicos se va fijando a la superficie del soporte (lo hace en más de un 95 %) y se Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.29 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas va exponiendo al aire a medida que el disco va girando, después se sumergen en agua de nuevo para tomar contacto con la materia orgánica. Se suceden nuevos periodos de exposición al aire (oxigenación) e inmersión en el agua (alimentación). Así se va formando la biopelícula a expensas de la materia orgánica del agua a tratar. La concentración de esta película puede llegar a los 30.000 mg/l. Esta alta concentración es la responsable de la alta eficacia de depuración en tiempos hidráulicos del sistema cortos. Los biodiscos giran a baja velocidad (menor de 5 rpm) alrededor de un eje perpendicular a todos ellos. Dentro de los reactores biológicos rotativos de contacto cabe distinguir entre biodiscos y biocilindros: • En los biodiscos el soporte para la fijación bacteriana está constituido por un conjunto de discos de material plástico de 2 a 4 m de diámetro. Los discos se mantienen paralelos y a corta distancia entre ellos gracias a un eje central que pasa a través de sus centros. • Los biocilindros constituyen una modificación del sistema de biodiscos, en ellos el sistema es una jaula cilíndrica perforada, que alberga en su interior un material soporte de plástico, al que se fija la biomasa bacteriana. En este tipo de instalación, es conveniente asegurarse de: Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.30 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • La fiabilidad mecánica de la armadura (accionamiento de arranque progresivo, buena fijación del soporte sobre el eje). • El dimensionado de la superficie de los discos (este debe ser realizado con márgenes de seguridad importantes). Los biodiscos presentan tres ventajas competitivas frente a los procesos de lodos activos y a los filtros percoladores: • Consumo eléctrico: los biodiscos consumen del orden del 20% de lo que consume un proceso convencional de lodos activos, dado que con un motor de muy baja potencia (1,5 kW) se accionan tanto los biodiscos como las norias de elevación. • Producción de lodos: El volumen de lodos producido tanto por los filtros percoladores como por los biodiscos es mínimo. Esto se debe, sobretodo, al hecho de que los microorganismos se fijen a un sustrato en lugar de estar en suspensión. Una baja producción de lodos es muy importante de cara a los aspectos económicos de la explotación, así como para la autonomía en la gestión de las instalaciones. Así, generalmente un sistema de biodiscos puede funcionar de forma continuada durante unos seis meses sin que sea necesaria la extracción de lodos del tanque. • Mantenimiento de las instalaciones: los biodiscos están concebidos para que tanto las operaciones de mantenimiento (ya sea correctivo o preventivo) como su frecuencia sean mínimos. De esta manera se garantiza el funcionamiento continuo de las instalaciones y no realizar las interrupciones técnicas que, frecuentemente, implica el mantenimiento de las EDARs convencionales. 2.5. PROCESOS DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES El aumento de la concentración de nutrientes (nitrato y fosfato) en los cauces naturales derivado de la actividad humana acelera el crecimiento natural de las algas y plantas acuáticas, dando lugar al fenómeno conocido como eutrofización. La Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.31 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas presencia de estas plantas puede interferir con los usos beneficiosos de los recursos hidráulicos. Por otra parte, la elevada concentración de nitrógeno en efluentes tratados puede ocasionar otros efectos negativos como son la reducción de la concentración de oxígeno disuelto en las aguas receptoras, toxicidad para la vida acuática, efectos negativos sobre la efectividad de la desinfección con cloro, peligro para la salud pública y efectos sobre el potencial de un agua residual para ser reutilizada. Para gestionar el control de nutrientes es importante evaluar: • Las características del agua bruta. • El tipo de instalación de tratamiento del agua residual. • El nivel de control de nutrientes que se necesita. • Las necesidades de eliminación de nutrientes (puntuales o abarcan un ciclo anual). En el control de nutrientes se puede actuar de dos formas: mediante la adición de un único proceso para controlar un nutriente específico, o bien incluir la eliminación de nutriente en el sistema de tratamiento biológico principal. Para limitar la cantidad de los nutrientes en los efluentes de las EDARs se han empleado varios sistemas de tratamiento basados en el uso de sistemas químicos, físicos y biológicos. En un principio los procesos más empleados fueron la nitrificación biológica para la oxidación y control del amoníaco y la desnitrificación biológica con la adición de metanol para eliminación de fósforo. En los últimos años se han desarrollado otros procesos de tratamiento biológico que persiguen la eliminación única de fósforo o conjunta del fósforo y del nitrógeno. Con estos sistemas, se reduce notablemente el uso de productos químicos por lo que resultan muy interesantes desde el punto de vista económico y de explotación. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.32 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 2.5.1. ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO El nitrógeno en el agua residual bruta suele estar presente en forma de amoníaco o de nitrógeno orgánico (urea, aminoácidos, etc.), siendo ambas formas solubles. Sin embargo, suele presentar bajas concentraciones o nulas de nitrito o nitrato. Con los sistemas de tratamiento convencionales se elimina menos del 30% del nitrógeno total de la forma que se explica a continuación. En la decantación primaria se elimina una fracción de la materia orgánica presente en el agua residual, pero es en el tratamiento biológico donde la mayor parte del nitrógeno orgánico se transforma en amonio y otras formas inorgánicas. Una fracción del amonio se asimila como parte de la materia celular de la biomasa y otra está presente en los efluentes de los decantadores secundarios. Los dos mecanismos principales que intervienen en este proceso son: • La asimilación: los microorganismos presentes en el agua residual tienden a asimilar el nitrógeno amoniacal y a incorporarlo a su masa celular. Con la muerte de las células una parte de este nitrógeno amoniacal retornará al agua residual. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.33 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • La nitrificación-desnitrificación: la eliminación de nitrógeno se consigue en dos etapas de conversión. En la primera; la nitrificación, se reduce la demanda de oxígeno del amoniaco mediante su conversión a nitrato. No obstante, en este paso, el nitrógeno apenas ha cambiado de forma y no se ha eliminado. En el segundo paso; la desnitrificación, el nitrato se convierte en un producto gaseoso eliminado. • NITRIFICACIÓN En la eliminación de nitrógeno por el proceso de nitrificación-desnitrificación, la nitrificación es el primer paso. Para que se produzca la nitrificación, es necesaria la actuación de las bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter. Para las Nitrosomonas, que oxidan el amoníaco en nitrito (producto intermedio), la reacción es la siguiente: Nitrosomonas 2NH4+ + 3O 2 ⎯⎯ ⎯ ⎯⎯→ 2NO 2− + 4H+ + 2H2 O Para las Nitrobacter, que transforman el nitrito en nitrato, la reacción es: Nitrobacter 2NO 2− +O 2 ⎯⎯ ⎯⎯ ⎯→ NO 3− + 2H+ + H2 O La reacción global es: NH +4 +O 2 → NO 3− + 2H + + H 2 O Es necesario tener en cuenta que la transformación de nitrógeno amoniacal en nitrógeno en forma de nitrato no supone la eliminación del nitrógeno, aunque sí permite eliminar su demanda de oxígeno. Las bacterias nitrificantes son muy sensibles a gran cantidad de sustancias inhibidoras, que pueden llegar a impedir el crecimiento y su actividad. Por ejemplo, pueden resultar inhibidoras altas concentraciones de amoníaco y de ácido nitroso, y es también importante el efecto del pH. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.34 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Para que se produzca la nitrificación, es fundamental que existan concentraciones de oxígeno disuelto (OD) por encima de 1 mg/l. Si el nivel de OD es inferior a este valor, el oxígeno se convierte en el compuesto limitante del proceso y puede producirse el cese o la ralentización de la nitrificación. La nitrificación se puede realizar tanto en procesos de cultivo en suspensión (lodos activos) como en procesos de cultivo fijo: • En un proceso de cultivo en suspensión, existe la posibilidad de realizar el proceso en el mismo reactor empleado para el tratamiento biológico, o bien en un reactor independiente situado a continuación del proceso de lodos activos convencional. La oxidación del amoníaco a nitrato se puede llevar a cabo con aire o con oxígeno puro. • De la misma manera, también se puede conseguir la nitrificación en un reactor de cultivo fijo empleado para la eliminación de materia carbonada, o en un reactor independiente. Si la nitrificación se lleva a cabo en una sola etapa, los procesos más utilizados son: • Los procesos de cultivo en suspensión más empleados para realizar la nitrificación son el de flujo en pistón convencional, mezcla completa, aireación prolongada y numerosas variantes de canales de oxidación. Para que se produzca la nitrificación, lo único que se precisa es mantener las condiciones adecuadas para el crecimiento de los organismos nitrificantes. Por ejemplo, en la mayoría de los climas cálidos, se puede conseguir una mayor nitrificación incrementando el tiempo de retención celular y el aporte de aire. • Para los procesos combinados de oxidación de carbono y nitrificación se suelen emplear sistemas de película fija, como los filtros percoladores y los biodiscos. Al igual que en el caso de los procesos de cultivo en suspensión, la nitrificación se puede conseguir o mejorar en los procesos Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.35 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas de cultivo fijo ajustando los parámetros de funcionamiento. Normalmente, la nitrificación se puede conseguir reduciendo la carga aplicada. Si la nitrificación se lleva a cabo en etapas separadas, se emplean tanto procesos de cultivo en suspensión como de película fija: • En los procesos de cultivo en suspensión, niveles bajos de carbono en el afluente pueden romper el equilibrio entre los sólidos perdidos en la decantación y los sólidos sintetizados en el reactor. A menudo, esta falta de equilibrio obliga a una purga constante o al aumento de la DBO en el afluente al reactor de nitrificación para mantener el contenido de sólidos biológicos en el sistema. • En los sistemas de película fija puede ser ventajoso niveles bajos de carbono en el afluente al proceso de nitrificación, ya que se consigue la eliminación de las necesidades de clarificación posterior a la nitrificación. Las ventajas de realizar la nitrificación en un reactor independiente a la oxidación del carbono son: • Permite una mayor flexibilidad y fiabilidad del proceso, y cada uno de los procesos (oxidación del carbono y nitrificación) se pueden llevar a cabo independientemente con el fin de obtener un rendimiento óptimo. Es importante conocer el grado de eliminación de carbono orgánico en la etapa de oxidación ya que afectará a la elección y explotación del proceso de nitrificación. • La materia orgánica biodegradable se elimina en una etapa previa de oxidación del carbono, por lo que se elimina el problema de toxicidad para las bacterias nitrificantes. • DESNITRIFICACIÓN La desnitrificación es la segunda etapa de la eliminación del nitrógeno mediante el proceso de nitrificación-desnitrificación. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.36 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La desnitrificación es el proceso mediante el cual el nitrato se convierte en nitrógeno gas, bajo condiciones anóxicas (sin oxígeno), gracias a la acción de diversos géneros de bacterias. De entre ellas, se pueden destacar: Achromobacter, Aerobacter, Alcalibacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas y Spirillum. Estas bacterias heterótrofas son capaces de la reducción del nitrato, que es un proceso de dos etapas. El primer paso consiste en la conversión de nitrato en nitrito, y a continuación se producen óxido nitroso y nitrógeno gas, según las siguientes reacciones: 6NO 3− + 2CH 3 OH → 6NO 2− + 2CO 2 + 4H 2 O 6NO 2− + 3CH 3 OH → 3N 2 ↑ +3CO 2 + 3H 2 O + 6OH La reacción global es la siguiente: 6NO 3− + 5CH3 OH → 5CO 2 + 3N 2 ↑ +7H 2 O + 6OH Los factores que afectan a estas reacciones son: • La presencia de oxígeno disuelto en el proceso suprime el sistema enzimático necesario para el desarrollo de la desnitrificación. • La alcalinidad se produce durante la conversión de nitrato en nitrógeno gas, lo cual provoca un aumento del pH. El pH óptimo se sitúa entre 7 y 8, según las poblaciones bacterianas que existan. • La temperatura afecta a la tasa de eliminación del nitrato y a la de crecimiento microbiano. Los organismos son sensibles a los cambios de temperatura. Los procesos de desnitrificación se pueden clasificar teniendo en cuenta si los cultivos son fijos o en suspensión: • La desnitrificación con cultivos en suspensión se suele llevar a cabo en sistemas de lodos activos de flujo en pistón. Las bacterias anaerobias Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.37 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas obtienen la energía para el crecimiento a partir de la conversión de nitrato en nitrógeno gas, pero necesitan una fuente externa de carbono para la síntesis celular; en algunos sistemas se emplea el agua residual cruda como fuente. • La desnitrificación con sistemas de película fija se lleva a cabo en un tanque vertical que contiene un relleno sobre los que crecen las bacterias. Al igual que en los cultivos en suspensión, también suele ser necesaria alguna fuente externa de carbono. La mayoría de las aplicaciones de este proceso adoptan el sistema de flujo descendente, aunque también se emplean técnicas de lecho expandido. • NITRIFICACIÓN-DESNITRIFICACIÓN Los sistemas de nitrificación-desnitrificación biológica suelen ser los más adecuados para la eliminación de nitrógeno por las siguientes ventajas: • Elevado rendimiento potencial de eliminación • Alta estabilidad y fiabilidad del proceso • Relativa facilidad de control del proceso • Reducidas necesidades de espacio • Coste moderado La clasificación de los procesos se lleva a cabo atendiendo a si en el mismo sistema se lleva a cabo la nitrificación-desnitrificación y la oxidación de carbono (empleando fuentes de carbono internas y endógenas), o si los procesos se producen en reactores separados (empleando metanol u otra fuente de carbono orgánico externa adecuada). Primeramente, la nitrificación-desnitrificación biológica se llevó a cabo en un proceso de dos etapas separadas en cadena, empleando metanol como fuente de sustrato para la desnitrificación. En la primera etapa el nitrógeno amoniacal pasa a nitrato (nitrificación), y en la segunda etapa, los nitratos se convierten a nitrógeno gas (desnitrificación). Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.38 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Como ventaja de este proceso, destaca que permite alcanzar concentraciones de nitratos como nitrógeno muy bajas en el efluente (< 2-3 mg/l). Sin embargo, este sistema tiene las siguientes desventajas: • Los volúmenes totales requeridos son elevados. • La etapa de nitrificación tiene elevados requerimientos de oxígeno y puede necesitar adición de alcalinidad. • Existe la posibilidad de que se produzca lodo ascendente en el decantador por la desnitrificación del lodo espesado, y para evitarlo, es necesaria una alta recirculación de lodos. Así se llegó al sistema desnitrificación-nitrificación (o proceso LudzackEttinger), que es el más utilizado en la actualidad, y que combina en una sola etapa la nitrificación, la desnitrificación y la eliminación de la materia orgánica. En este proceso, el influente es dirigido al reactor anóxico, donde las bacterias heterótrofas procedentes de la recirculación de lodos eliminan la materia orgánica del agua, utilizando los nitratos proporcionados por la propia recirculación Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.39 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas de lodos y por una recirculación interna del licor mezcla. Esta última recirculación es necesaria porque la recirculación de lodos no aporta la cantidad de nitratos suficiente para conseguir un elevado rendimiento de eliminación de nitrógeno. Así, el nitrógeno del influente pasa por el reactor anóxico (diluido por las recirculaciones), sin apenas sufrir variaciones (excepto el consumido para la síntesis de biomasa heterótrofa), y se oxida a nitratos en el reactor aerobio. De hecho, es en la recirculación cuando se produce la desnitrificación, es decir, la reducción de los nitratos a nitritos y posteriormente a nitrógeno gas. Este proceso reduce los problemas descritos en el proceso de etapas separadas: • Es menos probable que se produzca lodo ascendente en el decantador secundario si la concentración de nitratos es menor de 8 mg N/l. • Dado que parte de la biodegradación de materia orgánica tiene lugar en el reactor anóxico, se produce alcalinidad que reduce el consumo global de alcalinidad debida a la nitrificación. • Por esta misma razón, hay un consumo de nitratos en lugar de oxígeno que reduce los requerimientos globales de oxígeno. 2.5.2. ELIMINACIÓN DE FÓSFORO Los microorganismos consumen fósforo en reactores dispuestos en etapas en serie y, con un adecuado control de las condiciones ambientales, es posible conseguir que este consumo sea por encima de sus necesidades normales. De esta manera, el fósforo se elimina del sistema por medio de la purga o arrastre de los microorganismos. El fósforo se presenta en el agua residual principalmente en forma de ortofosfato (PO43-), polifosfatos (P2O7)4- y formas orgánicas de fósforo. Los dos últimos términos engloban hasta el 70% del fósforo contenido en el agua residual. Los microbios utilizan el fósforo para la síntesis celular y en el transporte de energía. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.40 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Por ello, entre el 10 y 30% del fósforo presente se elimina durante el tratamiento biológico secundario. Para conseguir niveles de fósforo bajos en el efluente, es necesario eliminar más cantidad de la estrictamente necesaria para el mantenimiento y síntesis celular. La eliminación biológica del fósforo se consigue generando en los reactores las condiciones ambientales adecuadas de manera secuencial. Uno de los organismos responsables de la eliminación del fósforo son los Acinetobacter. Estos organismos liberan el fósforo almacenado como respuesta, en condiciones anaerobias, a la presencia en el agua residual de ácidos grasos volátiles (AGV). En su competencia por la supervivencia con los organismos heterótrofos, los AGV son un substrato importante para los Acinetobacter. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.41 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Cuando una zona aerobia sigue a una zona anaerobia, los organismos consumen mayores cantidades de fósforo de lo habitual. Los microorganismos no sólo utilizan el fósforo para el mantenimiento celular, síntesis celular y transporte de energía, sino que también lo almacenan para su uso posterior. El lodo que contiene el exceso de fósforo se purga o se evacua a una línea de lodo auxiliar para eliminarlo. La liberación del fósforo se realiza bajo condiciones anóxicas. Por lo tanto, el proceso biológico de eliminación de fósforo hace necesario poder disponer de reactores o zonas anaerobias y aerobias dentro del mismo reactor. Existen dos mecanismos de eliminación del fósforo: la purga de lodo y el tratamiento en línea auxiliar. Actualmente existen una serie de procesos que se basan en alguno de estos mecanismos, como por ejemplo el PhoStrip y el Bardenpho, los cuales realizan la secuencia entre los contactos anaerobios y aerobios con pequeñas modificaciones. • En el proceso PhoStrip, se usa la liberación biológica del fósforo en condiciones anóxicas para concentrar el nutriente en una línea auxiliar Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.42 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas para su tratamiento químico. Normalmente se suele añadir cal para la precipitación del fósforo. • En el proceso Bardenpho, para conseguir la eliminación, tanto del nitrógeno como del fósforo, se sigue una secuencia de condiciones anaerobias, anóxicas y aerobias. El fósforo se elimina mediante la purga del lodo. 2.5.3. ELIMINACIÓN CONJUNTA DE NITRÓGENO Y FÓSFORO Combinando los procesos anteriores se consiguen elevados grados de eliminación de ambos nutrientes. La forma más habitual de hacerlo es incorporar una etapa anaerobia al inicio del sistema de desnitrificación-nitrificación. Dicha etapa permite la generación de ácidos orgánicos volátiles que se emplean en la etapa aerobia para la acumulación celular de los fosfatos del agua. Este tipo de sistemas de tratamiento biológico se ha aplicado con éxito en aguas residuales de origen urbano e industrial alcanzándose porcentajes de eliminación de nitrógeno y fósforo superiores al 70%. Unidad 2: Tratamientos Secundarios 2.43 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 3.1. INTRODUCCIÓN .....................................................................................2 3.2. ELIMINACIÓN DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN ....................................3 3.2.1. MICROTAMIZADO ..........................................................................3 3.2.2. FILTRACIÓN ...................................................................................4 3.2.3. COAGULACIÓN ..............................................................................4 3.3. ADSORCIÓN SOBRE CARBÓN ACTIVO ...............................................5 3.4. INTERCAMBIO IÓNICO ..........................................................................6 3.5. ÓSMOSIS INVERSA ...............................................................................7 3.6. ELECTRODIÁLISIS .................................................................................8 3.7. DESINFECCIÓN......................................................................................8 3.7.1. DESINFECCIÓN POR AGENTES QUÍMICOS................................9 3.7.2. DESINFECCIÓN POR AGENTES FÍSICOS: RADIACIÓN UV......12 3.8. TRATAMIENTOS NO CONVENCIONALES ..........................................13 3.8.1. INFILTRACIÓN-PERCOLACIÓN...................................................13 3.8.2. LAGUNAJE....................................................................................14 3.8.3. HUMEDALES ARTIFICIALES .......................................................17 3.9. FOSAS SÉPTICAS ................................................................................18 Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.1 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 3.1. INTRODUCCIÓN El tratamiento terciario, también denominado tratamiento avanzado, tiene como objetivo conseguir un efluente de calidad superior al proporcionado por el tratamiento secundario biológico. Los tratamientos terciarios más conocidos son: • Eliminación de nutrientes N y P (proceso estudiado en la unidad anterior) • Eliminación de sólidos en suspensión • Adsorción en carbón activo • Intercambio iónico • Ósmosis inversa • Electrodiálisis • Desinfección • Tratamientos no convencionales La mayoría de estos procesos no se utilizan habitualmente en las EDARs que están en funcionamiento, pero a medida que la legislación en materia de aguas se vaya haciendo más estricta, su uso será mucho más generalizado. La selección de un proceso o combinación de varios dependerá del uso potencial del agua, de la naturaleza del agua residual tratada, de la compatibilidad de las diferentes operaciones y procesos, de los medios disponibles para el vertido de los contaminantes y la viabilidad económica y ambiental de los diferentes sistemas. En general estos tratamientos son complejos y costosos. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.2 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 3.2. ELIMINACIÓN DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN Los sólidos en suspensión que no hayan sido eliminados en las fases anteriores de la EDAR (tratamiento primario y secundario) pueden ser responsables de la DBO residual que tiene el efluente. En las depuradoras en que sea necesario reducir aún más esta DBO, se pueden utilizar los siguientes procesos: • Microtamizado • Filtración • Coagulación 3.2.1. MICROTAMIZADO En el sistema de microtamizado la filtración se realiza por gravedad, permitiendo afinar la calidad del agua de salida. En particular, una de las características básicas en cuanto a contaminación bacteriológica que se le demanda al agua regenerada es el contenido en huevos de nematodo. Para asegurar la eliminación de dicho microorganismo el sistema que ofrece más garantías es la filtración mediante un tamiz de tamaño inferior a 10 micras. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.3 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Para el microtamizado se utilizan filtros de tambor rotatorio de baja velocidad y lavado continuo a contracorriente. Los tejidos filtrantes tienen unas aberturas de entre 10 y 35 micras, y se disponen en el perímetro del tambor. El agua residual entra por el extremo abierto del tambor y sale a través del tejido filtrante rotatorio. Los sólidos separados se lavan a contracorriente mediante unos inyectores de agua a presión y se recogen en una cubeta que está situada dentro del tambor para su posterior eliminación. Con el sistema de microtamizado se consiguen rendimientos de eliminación de sólidos en suspensión del 70-90%. 3.2.2. FILTRACIÓN Cuando es necesario conseguir un porcentaje de eliminación de sólidos es suspensión cercano al 99%, se lleva a cabo la filtración. En este caso, los materiales de relleno del filtro son arenas, antracita, tierra, diatomeas, etc. Los filtros, según el sistema de funcionamiento, se pueden clasificar en filtros continuos o discontinuos. Dentro de cada clase, existen diferentes tipos de filtración en función de: la profundidad del lecho filtrante; del tipo de medio filtrante empleado; de si el medio está o no estratificado; del sistema de funcionamiento (flujo ascendente o descendente); y en función del método empleado para la manipulación de sólidos. 3.2.3. COAGULACIÓN Para mejorar los rendimientos de los sistemas de filtración de efluentes se emplea la adición de productos químicos. La coagulación se lleva a cabo adicionando al agua sulfato de alúmina, polielectrolitos, cal y otros reactivos químicos. La adición de reactivos en línea sólo es posible cuando la calidad del efluente de la EDAR sea tal que el contenido de sólidos en suspensión sea inferior a 15 ppm. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.4 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 3.3. ADSORCIÓN SOBRE CARBÓN ACTIVO La adsorción sobre carbón activo se utiliza para la eliminación de materia orgánica refractaria (como son los compuestos orgánicos volátiles, pesticidas, etc.) y compuestos tóxicos inorgánicos (nitrógeno, sulfuros y metales pesados). La materia orgánica refractaria la constituyen compuestos resistentes a la degradación microbiana. Se deben tener en cuenta las características específicas del agua residual y la naturaleza de los compuestos tóxicos para la elección de los métodos de tratamiento. Es necesario eliminar la materia orgánica soluble en los sólidos en suspensión ya que éstos pueden quedar como depósitos sobre el carbón activo. Por esto es recomendable poner un filtro de medio granular aguas arriba de los lechos de carbón activo. Los parámetros que se deben controlar son: el pH, la temperatura y el caudal, ya que afectan al rendimiento del proceso. El carbón activo se puede emplear tanto granular como en polvo. Se utilizan diferentes tipos de lechos: • Columnas de flujo ascendente • Columnas de flujo descendente • Lechos fijos • Lechos expandidos También se puede utilizar el proceso combinado de lodos activos y carbón activo, añadiendo directamente el carbón activo al tanque de aireación. Así se consigue reducir los contaminantes refractarios, eliminar color y amoníaco y mejorar la sedimentabilidad del lodo. Cuando la nitrificación está inhibida por compuestos orgánicos tóxicos presentes, el carbón activo puede reducir este efecto inhibidor, al mismo tiempo que elimina metales pesados. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.5 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 3.4. INTERCAMBIO IÓNICO El intercambio iónico es un proceso rápido y reversible en el cual los iones contaminantes presentes en el agua residual son reemplazados por iones que presentes en una resina de intercambio de iones. Los iones contaminantes son adsorbidos por la resina que debe ser regenerada periódicamente para restaurarla a su forma iónica original. Un ión es un átomo o grupo de átomos con una carga eléctrica. Los iones con carga positiva se denominan cationes y son generalmente metales, los iones con carga negativa se llaman aniones y son generalmente no metales. Los iones siguientes son los que generalmente se encuentran en las aguas residuales: IONES PRESENTES EN AL AGUA RESIDUAL Cationes Aniones 2+ Calcio (Ca ) Cloruro (Cl-) Magnesio (Mg2+) Bicarbonato (HCO3-) Sodio (Na+) Nitrato (NO3-) Potasio (K+) Carbonato (CO32-) 2+ Hierro (Fe ) Sulfato (SO42-) Existen dos tipos básicos de resinas, según intercambien cationes o aniones: • Resinas del intercambio de cationes: desprenden iones hidrógeno (H+) u otros iones como intercambio por cationes contaminantes presentes en el agua. • Resina de intercambio de aniones: desprenden iones de hidróxido (OH-) u otros iones de cargas negativas en intercambio por los iones contaminantes que están presentes en el agua. Al producirse el intercambio iónico la capacidad de la resina comienza a decrecer, debido a que posee una capacidad limitada para la adsorción de iones presentes en el agua residual, llegando un momento en que la resina está saturada por los iones que ha eliminado del agua residual, por lo que se dice que está Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.6 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas "agotada". Por este motivo, cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en la salida del proceso. Cuando se llega a la concentración preestablecida, se debe proceder a regenerar la resina para poderla utilizar en un nuevo ciclo. 3.5. ÓSMOSIS INVERSA La filtración por ósmosis inversa es una tecnología de tratamiento terciario del agua mediante la cual se logra un elevado porcentaje de retención de contaminantes, disueltos y no disueltos (hasta un 99% de retención de sales disueltas). De hecho, la ósmosis inversa permite la separación de los microcontaminantes orgánicos e inorgánicos presentes en el agua residual, junto con los iones disueltos, además de la eliminación total de Escherichia coli y virus, dado que el tamaño de paso de las membranas está entre 10-9 y 10-10 m. La ósmosis inversa se basa en el siguiente hecho: cuando dos líquidos, con distinta concentración salina, están separados por una membrana semipermeable, se establece una diferencia de presión entre una y otra parte de la membrana que es función de la diferencia de concentraciones. Esta presión, denominada osmótica, hace pasar agua pura del lado de menos concentración hacia el lado de más concentración, hasta que las concentraciones se igualen. Inversamente, si se aplica al sistema una presión superior a la osmótica y de sentido contrario, es el agua pura del lado de mayor concentración la que pasa hacia el de menor concentración. Los componentes principales de una unidad de ósmosis inversa son la membrana, la estructura soporte de la membrana, un tanque contenedor y una bomba de alta presión. Para que el funcionamiento de las unidades de ósmosis inversa sea el adecuado, es necesario conseguir un afluente de gran calidad, pues la presencia de material coloidal puede provocar fallos en las membranas. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.7 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Las principales limitaciones de la ósmosis inversa son su elevado coste y la escasa experiencia en el tratamiento de aguas residuales urbanas. 3.6. ELECTRODIÁLISIS En la electrodiálisis, los compuestos iónicos del agua residual se separan por la acción de unas membranas semipermeables selectivas de iones, gracias a la aplicación de un potencial eléctrico entre los dos electrodos, que origina una corriente eléctrica que atraviesa la disolución y que provoca una migración de cationes hacia el electrodo negativo y de aniones hacia el electrodo positivo. Dada la disposición alternada de las membranas permeables a los cationes y aniones, se forman células de sales concentradas y diluidas. La eliminación de sólidos disueltos en el agua residual mediante electrodiálisis depende de los siguientes factores: • La temperatura del agua residual • La corriente eléctrica que se hace circular • El tipo y cantidad de iones presentes • La selectividad de las membranas • El potencial del agua residual de producir obstrucciones • Los caudales de agua residual • El número y configuración de las etapas Los mayores problemas en la aplicación de la electrodiálisis como tratamiento de aguas residuales son la precipitación química de sales de poca solubilidad en la superficie de la membrana y la obstrucción de ésta por la materia coloidal disuelta en el efluente de la EDAR. 3.7. DESINFECCIÓN La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan enfermedades. Durante el proceso de desinfección no se destruyen todos los organismos, punto en el que radica la principal diferencia entre la desinfección y Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.8 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas la esterilización, proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. Los tres principales tipos de microorganismos presentes en el agua residual de mayores consecuencias en la producción de enfermedades son: las bacterias, los virus y los protozoos. Las enfermedades bacterianas típicas transmitidas por el agua son: el tifus, el cólera, el paratifus y la disentería bacilar, mientras que las enfermedades causadas por los virus incluyen, entre otras, la poliomielitis y la hepatitis infecciosa. Los métodos más comunes para la desinfección de aguas residuales son: • Agentes químicos: compuestos de cloro, ozono. • Agentes físicos: radiación ultravioleta (UV). 3.7.1. DESINFECCIÓN POR AGENTES QUÍMICOS La desinfección por agentes químicos se utiliza para eliminar amoníaco, compuestos refractarios, compuestos tóxicos alifáticos y aromáticos halogenados y para reducir el contenido bacteriano y vírico del agua residual. En el pasado, para oxidar el amoníaco se utilizaba cloro, pero presentaba el problema de la formación de trihalometanos. Hoy en día se utilizan otros oxidantes como el ozono o el dióxido de cloro que además tienen la ventaja de que son desinfectantes. El ozono, además, también elimina el color de las aguas. • COMPUESTOS DE CLORO Los compuestos de cloro más comúnmente empleados en las plantas de tratamiento de aguas residuales son el cloro gas (Cl2), el hipoclorito sódico (NaOCl), el hipoclorito de calcio (Ca(ClO)2) y el dióxido de cloro (ClO2): • Los hipocloritos se suelen emplear en las plantas pequeñas, especialmente en las prefabricadas en las que la simplicidad y seguridad son criterios de mayor peso que el coste. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.9 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • El dióxido de cloro también se emplea en las instalaciones de tratamiento debido a que tiene algunas propiedades poco frecuentes (no reacciona con el amoníaco). El dióxido de cloro es una sustancia bactericida cuyo poder de desinfección es igual o superior al del cloro, y que se ha comprobado que resulta más efectivo que el cloro en la inhibición e inactivación de virus. Una explicación posible de este fenómeno se basa en el hecho de que una proteína, la peptona, puede adsorber el dióxido de cloro. Dado que los virus tienen un recubrimiento proteínico, es posible que la inactivación del virus venga provocada por la adsorción del dióxido de cloro en la superficie de dicho recubrimiento. En el pasado el uso del dióxido de cloro no había sido considerado viable debido a su alto coste económico. Las ventajas que supone el uso de dióxido de cloro son las siguientes: • La utilización del dióxido de cloro puede dar lugar a la formación de algunos productos tóxicos, como el clorito y el clorato, y a su presencia de componentes del cloro residual total. Las cantidades de dióxido de cloro residual y de los productos finales de la reacción se degradan a mayor velocidad que el cloro residual, por lo que pueden no representar una amenaza tan directa para la vida acuática como lo es el cloro residual. • El dióxido de cloro no reacciona con el amoníaco para dar paso a la formación de las cloraminas, que son potencialmente tóxicas. • También se ha podido comprobar que no se forman compuestos orgánicos halogenados en cantidades apreciables. Este hecho es especialmente cierto en cuanto a la formación de cloroformo, que es una sustancia cuyos efectos cancerígenos están bajo sospecha. • OZONO El ozono (O3) es un gas azul pálido de olor característico, es tóxico y corrosivo, y es uno de los agentes oxidantes más fuertes que existen. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.10 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La solubilidad en agua del ozono es de sólo de 570 mg/l (12 veces menos que el cloro). El ozono se forma por disociación del oxígeno en oxígeno atómico, y dado que la disociación del oxígeno implica la rotura del enlace fuerte O-O, se requiere una gran cantidad de energía. O2 ↔ O + O O + 2O 2 ↔ O 3 + O 2 O + O 3 ↔ 2O 2 La tercera reacción limita la concentración de ozono que puede producirse económicamente, mediante el sistema convencional, al 1% en peso cuando se utiliza aire y, al 2% cuando se utiliza oxígeno. La dosis de ozono se puede determinar empíricamente en función de la concentración de sólidos en suspensión totales (SST) en el efluente, fijando un tiempo de contacto de 10 minutos, según la siguiente ecuación: O3 (mg / l)= 1,5 + 0,38 · SST (mg / l) La vida media del O3 es de sólo 20 minutos, por lo que es necesario suministrarlo escalonadamente para conseguir el tiempo de contacto necesario para la desinfección. Para aguas residuales, se recomienda una dosis mínima de 5,8 mg/l. La eficacia del O3 como desinfectante es relativamente independiente del pH y temperatura, aunque parece que el rango más favorable está en un pH de 6-7. Existen tres sistemas de generación de ozono: • Sistema de alimentación con oxígeno: es el sistema más simple y económico. • Sistema con recirculación de oxígeno: el gas de salida, rico en oxígeno, se recircula a la entrada del sistema de ozonización. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.11 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Sistema de alimentación con aire: su elección es puramente económica (habría que estudiar el coste energético, la eficiencia del generador de ozono, los costes de suministro de aire y de oxígeno, y el tamaño de la instalación. 3.7.2. DESINFECCIÓN POR AGENTES FÍSICOS: RADIACIÓN UV Los rayos ultravioleta (UV) forman parte del espectro electromagnético y tiene longitudes de onda comprendidas entre 150 y 400 nm, siendo la comprendida en el rango de corta longitud (UV-C), 200-280 nm, la que tiene efecto germicida. La razón de este efecto es que los rayos UV originan cambios químicos en el ADN de los microorganismos, impidiendo su reproducción y, por tanto, inactivándolos. El tiempo de contacto en la ozonización es de sólo 2-3 segundos, mucho menor que el necesario para la desinfección con cloro, que requiere unos tiempos de contacto superiores a 10 minutos. Los rayos UV se generan mediante una descarga eléctrica en vapor metálico, siendo la lámpara de vapor de mercurio la más indicada para la generación de la radiación germicida (UV-C), dado que la línea de resonancia del átomo de Hg a 254 nm es emitida con alta eficiencia. Las lámparas pueden ser de baja presión, que emiten del orden del 92% de su radiación a 254 nm, o de media presión, que dan lugar a un espectro difuso típico. Aunque las de media presión permiten mayor intensidad y, por tanto, mayor dosis para un caudal dado, simplificando la configuración del sistema, esto se compensa por sus mayores costes y menor vida. En condiciones reales, hay factores que influyen en la dosis: Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.12 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Un fluido que no transmite la radiación de longitud de onda 253,7 nm con la misma eficacia que el agua pura hará que disminuya la intensidad recibida por los microorganismos. • La intensidad de la radiación UV disminuye con el envejecimiento de la lámpara. • El ensuciamiento del tubo de cuarzo también disminuirá la intensidad de la radiación. • Si el caudal a desinfectar es mayor que el de diseño para el equipo, la dosis disminuirá, debido al menor tiempo de contacto. Recíprocamente, la dosis aumentará si el caudal a desinfectar es menor que el de diseño. La dosis estimada para obtener una reducción del 99,9% en el número de coliformes fecales de un efluente es de 30 mWs/cm2. 3.8. TRATAMIENTOS NO CONVENCIONALES Los tratamientos no convencionales son aquellos tratamientos que no son acelerados como en los tratamientos intensivos, de manera que sus parámetros y cinéticas son los que normalmente se dan en la naturaleza. En consecuencia, el consumo energético es mucho menor que en los tratamientos intensivos, aunque como desventaja, la superficie necesaria es mayor que en los tratamientos convencionales. La inversión inicial en los tratamientos no convencionales es alta, debido a la necesidad disponer de terreno suficiente y de realizar movimientos de tierra. El mantenimiento posterior del tratamiento puede llegar a realizarse por personal no especializado, lo cual supone una ventaja respecto de los sistemas convencionales. 3.8.1. INFILTRACIÓN-PERCOLACIÓN Los sistemas de infiltración-percolación se basan en unos lechos de arena de diámetro uniforme, entre 0,1 y 2 mm, en los que se infiltra el efluente del tratamiento Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.13 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas secundario, de forma secuencial y programada, cuidando que el lecho no pueda quedar saturado para que se produzca así el intercambio de gases. El parámetro de diseño de este sistema es la carga hidráulica, y es muy importante que el agua a tratar se reparta uniformemente por la superficie del lecho. Para ello normalmente se utilizan aspersores. Es un proceso muy fiable si se realiza el adecuado mantenimiento de los lechos, que consiste en la limpieza de los aspersores que reparten el influente y el rastrillado de la superficie cada quince días. 3.8.2. El LAGUNAJE tratamiento por lagunaje de aguas residuales consiste en su almacenamiento durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y las condiciones climáticas, de forma que la materia orgánica resulte degradada mediante la actividad de bacterias heterótrofas presentes en el medio. En la depuración por lagunaje no interviene para nada la acción del hombre (sólo se limita a proporcionar un emplazamiento adecuado para las balsas), por lo que se considera un método biológico natural de tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la autodepuración en ríos y lagos. Dado que la presencia de oxígeno disuelto en las lagunas de estabilización determina qué tipo de mecanismos van a ser responsables de la depuración, los estanques de estabilización suelen clasificarse en aerobios, anaerobios y facultativos. Además de esta clasificación básica también se utilizan otras relacionadas con sus características físicas, tales como la profundidad. Ambas clasificaciones están relacionadas, ya que las fuentes de oxígeno disuelto en lagunas son fenómenos de superficie. Estas fuentes de oxígeno son producto de la actividad de las algas microscópicas y la reaireación a través de la interfase aireagua. • CLASIFICACIÓN DE LAGUNAS SEGÚN EL OXÍGENO DISUELTO Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.14 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Las lagunas de estabilización según el oxígeno disuelto en ellas, se clasifican en: • Lagunas anaerobias: la depuración en estas lagunas se produce por la acción de bacterias anaerobias. En las lagunas, como consecuencia de la elevada carga orgánica y el corto periodo de retención del agua residual, el contenido en oxígeno disuelto se mantiene muy bajo o nulo durante todo el año. El objetivo perseguido es retener la mayor parte posible de los sólidos en suspensión, que pasan a incorporarse a la capa de lodos acumulados en el fondo, y eliminar parte de la carga orgánica. • Lagunas facultativas: se caracterizan por poseer una zona aerobia, próxima a la superficie, y una zona anaerobia en el fondo. La extensión relativa de estas dos zonas varía durante el año en función de la carga aplicada y de la eficacia de los dos mecanismos de adición de oxígeno al medio: la fotosíntesis llevada a cabo por las algas y la reaireación en la superficie. La finalidad de estas lagunas es la estabilización de la materia orgánica en un medio oxigenado proporcionado principalmente por las algas presentes. • Lagunas de maduración: en estas lagunas (también denominadas lagunas de oxidación) se mantiene un ambiente aerobio en toda su profundidad, lo que se consigue con menores cargas aplicadas, de forma que la fotosíntesis y la reaireación sean suficientes para proporcionar oxígeno disuelto a toda la columna de agua. En las lagunas de maduración se consigue una elevada desinfección del agua tratada, así como la mineralización de los nutrientes orgánicos. Dado que estos tres tipos de lagunas requieren niveles decrecientes de carga orgánica para funcionar correctamente, las plantas de tratamiento suelen estar constituidas por los tres tipos de estanque operando en serie, es decir, uno después de otro. De esta forma se alcanza una mayor calidad en el efluente final de la misma. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.15 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas A continuación se muestra una representación esquemática de una planta con lagunas anaerobias (A), facultativas (F) y de oxidación (O) dispuestas en paralelo y en serie, con opción de intercomunicar ambas lagunas facultativas. Pueden existir lagunajes sencillos con un solo tipo de lagunas anaerobias, facultativas o aerobias, pero el lagunaje múltiple es más eficaz que cualquier otro y de hecho son frecuentes los que tienen una fase anaerobia y facultativa en paralelo, mientras que la fase de maduración está formada por varias lagunas que se dispone en serie. • CLASIFICACIÓN DE LAGUNAS SEGÚN EL FLUJO DE AGUA Las lagunas se clasifican también en función de si el flujo de agua es continuo o discontinuo: Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.16 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Lagunas continuas: son aquellas en las que se produce la entrada y salida continua del agua residual y efluente. La mayoría de las lagunas para tratamiento de aguas residuales urbanas funcionan de acuerdo con este principio. • Lagunas semicontinuas o de descarga controlada: en este caso las lagunas se llenan con agua residual, que se almacena durante un periodo prolongado de tiempo hasta que se inicia su vaciado. Este tipo de diseño se utiliza a menudo en zonas con grandes variaciones estacionales, o cuando la laguna de estabilización se utiliza simultáneamente como sistema regulador de riegos. • Lagunas de retención total: este tipo de lagunas se diseña de forma que el agua tratada se pierde por evaporación o infiltración en el terreno, con lo que se evita su vertido final a un cauce público. Normalmente se trata de lagunas de poca profundidad y gran extensión para facilitar la evaporación del agua almacenada. 3.8.3. HUMEDALES ARTIFICIALES Los humedales artificiales constituyen una opción para el tratamiento de aguas residuales de pequeñas poblaciones. Los humedales artificiales engloban aquellos sistemas que utilizan plantas acuáticas para el tratamiento de aguas residuales ya depuradas. Los humedales tienen un gran potencial de autodepuración gracias a la vegetación, el suelo y la flora bacteriana. Desde hace años esto se aprovecha por construir sistemas que, imitando la naturaleza, depuran las aguas residuales de forma respetuosa con el entorno natural y tienen menos requerimientos energéticos. Los humedales naturales pueden llegar a ser muy complejos, con una capa de agua que cubre el suelo, gran cantidad de vegetación a diferentes niveles (sumergida, flotante y emergente) y aguas subterráneas más o menos próximas a la superficie. A través de diferentes procesos, los microorganismos del suelo y de los rizomas de las plantas degradan la materia orgánica, las plantas asimilan y retienen Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.17 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas los nutrientes, y los metales del agua quedan retenidos en la grava y en el tejido vegetal. Su uso está especialmente extendido en el norte de Europa, y se ensayan e investigan diferentes estructuras de humedales artificiales por conseguir los mejores resultados. Optimizarlos es importante, especialmente en zonas en que el suelo se caro y es preciso obtener el máximo rendimiento depurador por metro cuadrado. Los humedales consiguen reducir en un 70-85% la DBO5 y un 60-70% los sólidos en suspensión. En cuanto a la eliminación de patógenos de origen fecal (E. coli, pseudomonas, etc.), se consigue una reducción de entre 10 y 500 veces, similar a la de depuradoras convencionales, pero a un coste mucho menor. Respecto a los nutrientes, estos sistemas son capaces de eliminar un 25% del nitrógeno y un 10% del fósforo. 3.9. FOSAS SÉPTICAS El sistema más común para tratar aguas residuales en áreas rurales es la fosa séptica con un sistema de filtración terriza. La fosa séptica elimina los sólidos sedimentables y flotantes del agua negra, y el sistema de absorción filtra y trata el efluente clarificado de la fosa séptica. La eliminación de los sólidos del agua residual protege el sistema de filtración terriza de su obstrucción y fallo prematuro. Al mismo tiempo que elimina la materia sólida, la fosa séptica también permite la digestión de una porción de esta materia y almacena la porción no digerida. Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.18 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La eliminación de la materia sólida se produce por sedimentación en el tanque, y además se lleva a cabo la flotación de impurezas. Para que esta separación ocurra, el agua residual debe tener un tiempo de residencia mínimo de 24 horas en el tanque. De esta manera, hasta el 50% de los sólidos retenidos se descomponen, y la materia sólida restante se acumula en el tanque. Además, no se necesitan aditivos biológicos ni químicos para ayudar o acelerar la descomposición. El cieno continúa acumulándose en el fondo de la fosa séptica mientras se usa el sistema séptico, y los tanques están diseñados con espacio seguro para la acumulación de tres años de cieno. Cuando el nivel del cieno sobrepasa este punto, las aguas negras tienen menos tiempo para separar la materia sólida del agua antes de salir del tanque. Mientras sube el nivel del cieno, más materia sólida entra en el área de filtración, y si el cieno se acumula durante demasiado tiempo, no ocurre ninguna separación de materia sólida del agua y las aguas negras entran directamente en el área de filtración. Para prevenir esto, el tanque tiene que ser vaciado periódicamente de cieno con una bomba. Para vaciar la fosa séptica es muy recomendable contratar a una empresa especializada que vacíe la fosa mediante bombeo y transporte el cieno hasta un gestor autorizado, cumpliendo toda la normativa de residuos. Además, es necesario Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.19 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas tener cuidado al abrir la fosa, pues en su interior se producen gases tóxicos, como el metano, que no se detectan por su olor y que pueden causar la muerte de una persona en varios minutos. Para extraer todo el material del pozo, es necesario dispersar la capa de impurezas y mezclar las capas de cieno con la parte líquida del tanque, para facilitar su vaciado lo más completo posible. Normalmente esto se logra alternativamente sacando el agua del tanque con una bomba y reinyectándola, a presión, en el fondo del tanque. En la actualidad las fosas sépticas se fabrican principalmente con resinas de poliéster reforzados de fibra de vidrio (PRFV). Unidad 3: Tratamientos Terciarios 3.20 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 4.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................... 2 4.2. TIPOLOGÍA DE LOS LODOS DE UNA EDAR ....................................... 3 4.2.1. LODOS PRIMARIOS ...................................................................... 3 4.2.2. LODOS SECUNDARIOS ................................................................ 4 4.2.3. LODOS DIGERIDOS AERÓBICAMENTE ...................................... 5 4.2.4. LODOS DE PRECIPITACIÓN QUÍMICA ........................................ 5 4.3. ESPESAMIENTO ................................................................................... 5 4.3.1. ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD .............................................. 7 4.3.2. ESPESAMIENTO POR FLOTACIÓN.............................................. 8 4.3.3. ESPESAMIENTO POR CENTRIFUGACIÓN ................................ 12 4.4. DIGESTIÓN O ESTABILIZACIÓN........................................................ 12 4.4.1. DIGESTIÓN AEROBIA ................................................................. 12 4.4.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA ............................................................ 15 4.5. DESHIDRATACIÓN ............................................................................. 18 4.5.1. ERAS DE SECADO DE LODO ..................................................... 19 4.5.2. SECADO MECÁNICO................................................................... 22 4.6. DESTINO FINAL DE LOS LODOS....................................................... 29 4.6.1. PROBLEMÁTICA DE LOS LODOS DE EDAR.............................. 32 4.6.2. EVALUACIÓN DEL RIESGO EN LA APLICACIÓN COMO FERTILIZANTES ......................................................................................... 34 4.6.3. NORMAS DE CALIDAD DE LOS LODOS .................................... 36 4.7. LÍNEA DE GAS .................................................................................... 39 4.7.1. CARACTERÍSTICAS DEL GAS DE DIGESTIÓN ......................... 40 4.7.2. COGENERACIÓN......................................................................... 41 Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.1 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 4.1. INTRODUCCIÓN En el tratamiento de aguas residuales, cuyo objetivo principal es la eliminación de la contaminación antes del vertido del efluente al cauce receptor, se generan una serie de subproductos denominados lodos, donde se concentra la contaminación eliminada del agua, y cuyo tratamiento y evacuación puede ser problemática. Las dos fuentes principales de producción de lodos en la EDAR son el tratamiento primario y secundario. Los sólidos sedimentados retirados del fondo de los decantadores primarios y secundarios son, en realidad, una mezcla acuosa denominada lodo fresco y que tiene las siguientes características: • Están muy diluidos (95-99% de agua), por lo que ocupan un volumen importante y son de difícil manipulación. • Tienen una alta concentración de materia orgánica, por lo que se descomponen fácilmente (putrefacción), y producen malos olores. • Poseen una gran cantidad de organismos patógenos, causantes de enfermedades. Todo esto hace que sea un subproducto a tratar con cautela, y de hecho en su tratamiento deben darse tres fases, encaminadas a reducir al máximo los problemas anteriormente citados: • Reducción del agua presente en los lodos para evitar el tratamiento de grandes volúmenes de lodo. • Estabilización de la materia orgánica para evitar problemas de fermentación y putrefacción. • Obtención de una textura adecuada para que resulten manejables y transportables. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.2 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Estas fases se llevan a cabo en la denominada línea de lodos de una EDAR. 4.2. TIPOLOGÍA DE LOS LODOS DE UNA EDAR Tanto las cantidades como las propiedades del lodo que se van a tratar en la línea de lodo de una planta depuradora van a depender de las características de las aguas residuales de entrada a la planta, así como del tratamiento a que sean sometidas en la línea de agua de la EDAR. El origen de los lodos producidos en una EDAR y sus principales características son: 4.2.1. LODOS PRIMARIOS Los lodos primarios se originan en la decantación primaria, por lo que no han sufrido un tratamiento biológico, es decir, no se han descompuesto. En consecuencia son altamente inestables y putrescibles, y al cabo de cierto tiempo producen mal olor. Los lodos primarios tienen un contenido aproximado de sólidos en suspensión de 90 g/hab/día, de los cuales un 60%, es decir, 54 g/hab/día, se consideran sedimentables. Su contenido en humedad varía entre el 95-99%, y son lodos que liberan fácilmente su agua de constitución y que se espesan bien. El color de estos lodos normalmente es gris, con altos contenidos de sólidos fecales y otros tipos de desechos. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.3 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 4.2.2. LODOS SECUNDARIOS Se denominan también lodos en exceso y proceden del proceso biológico de lodos activos, por lo que su materia orgánica está parcialmente descompuesta. Tienen un color marrón oscuro y un olor a tierra húmeda, pero en su descomposición posterior se hacen sépticos y producen olores desagradables. El contenido en humedad de estos lodos varía entre el 98-99,5% y son difíciles de concentrar. Pueden espesarse directamente o enviarse a la decantación primaria, donde decantan conjuntamente con los lodos primarios, dando lugar a los lodos mixtos. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.4 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 4.2.3. LODOS DIGERIDOS AERÓBICAMENTE Son lodos de color marrón oscuro, con una apariencia floculenta y un olor un poco desagradable. 4.2.4. LODOS DE PRECIPITACIÓN QUÍMICA Estos lodos tienen una velocidad de descomposición algo menor que la de los primarios. Tienen un color oscuro, algo rojizo si contienen mucho hierro y un olor desagradable, aunque no tanto como el de los lodos primarios. El tipo de tratamiento a aplicar y su compactación dentro de la línea de lodo, depende de la procedencia del lodo a espesar y del tipo de tratamiento a efectuar: • El espesamiento por gravedad se utiliza para los lodos primarios y los mixtos, así como para los procedentes de una precipitación química, localizándose antes del proceso de la digestión anaerobia. En el caso de que la línea de tratamiento de los lodos incluya una estabilización aerobia de los mismos, el espesador será posterior, ya que este proceso requiere para su buen funcionamiento concentraciones no muy elevadas, no superiores al 2-2,5%. • La flotación está indicada para concentrar los lodos biológicos procedentes del decantador secundario, también llamados lodos en exceso. • La centrifugación tiene una aplicación limitada como sistema de espesado en una depuradora. 4.3. ESPESAMIENTO Los lodos producidos las EDARs tienen más del 95% de agua, por lo que ocupan volúmenes importantes y además su naturaleza es putrescible. Por esta razón es necesario tratar los lodos para modificar sus características y Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.5 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas obtener unas condiciones que faciliten una evacuación y disposición final óptimas desde el punto de vista sanitario, medioambiental y económico. La etapa de espesamiento consigue reducir el volumen de los lodos mediante concentración o eliminación parcial de agua. Los lodos activados, que normalmente se bombean desde los tanques de decantación secundaria con un contenido de sólidos del 0,8%, pueden espesarse hasta un contenido del 4% de sólidos, consiguiéndose así una reducción del volumen del lodo al 40% del volumen inicial. El espesamiento tiene las siguientes ventajas: • Reducción del volumen de todas las unidades de la línea de lodos posteriores al espesamiento. • Reducción de la cantidad de calor requerida para el calentamiento de los lodos en procesos tales como digestión anaerobia, secado térmico e incineración, lo cual supone un importante ahorro energético. • Aumento de los rendimientos de los equipos de deshidratación. Los tipos más frecuentes de unidades de espesamientos son: Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.6 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Espesamiento por gravedad • Espesamiento por flotación • Espesamiento por centrifugación 4.3.1. ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD Su diseño es similar al de un decantador y, generalmente, son circulares. La alimentación se realiza a través de una tubería a una campana central, que reparte el efluente y además opera como zona tranquilizadora, con una altura tal que no influya en la zona inferior de compactación. El espesador dispone de un mecanismo giratorio de accionamiento central, provisto de unas rasquetas de fondo que consiguen barrer los lodos los conducen a una poceta central desde donde se extraen. Las rasquetas también disponen de unas piquetas verticales que sirven para homogeneizar la masa y para crear unos canales preferenciales que mejoran la evacuación del agua intersticial y de los gases generados por fenómenos de fermentación del lodo. El líquido sobrenadante se recoge por un vertedero perimetral y es enviado a cabecera de la planta. Para arrancar el espesador es aconsejable instalar un sistema automático de elevación de las rasquetas, en particular después de paradas Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.7 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas prolongadas, ya que el material sólido sedimentado en el fondo del espesador puede inmovilizar las rasquetas y hacer difícil su puesta en funcionamiento. Una vez que el mecanismo ha alcanzado su velocidad nominal se procede a introducir automáticamente las rasquetas. El fondo debe tener una pendiente mínima del 10%. La extracción de los lodos espesados desde la poceta central puede realizarse por gravedad (mediante válvulas) o bien por aspiración directa mediante bombas. El sistema de extracción debe estar temporizado, para que cada cierto tiempo proceda a extraer los lodos, y también debe de poder realizarse la extracción a distintos niveles. Para evitar posibles olores a menudo se procede a recubrir el espesador mediante una cubierta estanca, que puede ser fija, mediante obra de fábrica, o bien desmontable (normalmente de plástico), que facilita el mantenimiento. 4.3.2. ESPESAMIENTO POR FLOTACIÓN En este caso, los lodos se espesan mediante la flotación porque su peso específico es menor al del agua, por lo que no pueden sedimentar y compactarse. De una manera empírica, se ha comprobado que el grado de espesamiento conseguido depende de la concentración inicial del lodo, pues las mayores concentraciones finales se consiguen con lodos más diluidos. Además, parece que la capacidad de espesamiento del lodo activado en exceso varía con el tiempo medio de retención celular con el que funciona la planta. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.8 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Hay cuatro tipos de espesado por flotación: flotación por aire disuelto, flotación al vacío, flotación por dispersión de aire y flotación biológica. Sin embargo, sólo la flotación por aire disuelto tiene una aplicación consolidada para el espesamiento de lodos de EDARs. El grado de flotabilidad de los depende de los siguientes aspectos: • Afinidad del aire a la partícula: la adhesión de las partículas a las burbujas de aire debe ser mayor que la tendencia que éstas tienen a establecer contacto con el agua. • Densidad de la partícula: se mejora la flotación cuando las partículas tienen una densidad muy próxima a la del agua. Si la densidad de la partícula es mayor, se incrementará la cantidad de aire que habrá que suministrar para conseguir que las burbujas se adhieran a la partícula y que así flote. • Diámetro de la partícula: a mayor diámetro, se incrementa la cantidad de burbujas que se adhieren a la partícula y es necesario mayor caudal de aire. Por otra parte, el tamaño de la burbuja de aire afecta de modo importante a la eficacia de la flotación, por diversos motivos: • El rendimiento de la adherencia de las burbujas a las partículas es función del tiempo que dichas burbujas se mantienen en la suspensión y la oportunidad de contactos con dichas partículas. Por Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.9 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas lo tanto, cuanto menor sea el diámetro de las partículas, menor será la velocidad ascensional de las mismas y mayor tiempo de retención tendrán. • Cuanto mayor es el tamaño de la burbuja, mayor será la necesidad del caudal de aire a introducir para conseguir una buena equiparación en el tanque de flotación. • El tamaño de las burbujas influye también en la turbulencia en el tanque, produciendo mayor turbulencia a mayor tamaño, reduciendo la eficiencia de la flotación. El sistema más utilizado para conseguir la flotación de lodos por aire disuelto es la presurización, que consiste en disolver el aire en un líquido bajo una presión de varias atmósferas y, a continuación, liberarlo hasta presión atmosférica, con lo que el aire disuelto forma microburbujas que se adhieren a las partículas sólidas. La presurización tiene dos modalidades: • Presurización directa total o parcial: se presuriza todo o parte del caudal de lodos. • Presurización indirecta: se presuriza agua clarificada, bien del propio efluente del espesador o bien del agua clarificada en el decantador secundario. En la práctica se utiliza la presurización indirecta, para evitar obstrucciones de los equipos de presurización con el caudal de lodos. Los equipos fundamentales que componen un sistema de flotación por aire disuelto mediante presurización son los que se describen a continuación: • Bomba de presurización: debe asegurar una uniformidad de presión dentro de un rango amplio de caudales. • Depósito de presurización: se produce la disolución del aire comprimido y del lodo o agua a presurizar, según se trate de presurización directa o indirecta. El sistema de mezcla debe asegurar Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.10 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas que la concentración del aire en el agua sea lo más próxima posible a la saturación, para así mejorar el contacto de la superficie de fluido con el aire. • Sistema de inyección de aire: la inyección se regula mediante un presostato en un rango apropiado a la presión deseada en el depósito de presurización. La automatización de este sistema se consigue con válvulas automatizadas que regulan la entrada al recipiente tanto del fluido a presurizar como del aire a disolver. • Válvulas reductoras de presión: el fluido presurizado se introduce en el tanque de flotación, y para formar las microburbujas sin crear turbulencias en el volumen de agua del tanque, es necesario que se produzca una pérdida de carga en la corriente de agua presurizada. Esta pérdida de carga se realiza a través de válvulas que mantienen constante la presión del líquido presurizado que se introduce en el flotador. Esta presión será la suma de la presión atmosférica y la presión de la columna de agua existente entre el punto de introducción del líquido en el tanque. • Tanque de flotación: puede ser rectangular o circular, siendo éste el más utilizado. Un grupo de accionamiento compuesto por un motorreductor actúa sobre unas rasquetas de fondo que empujan los lodos hacia un canal o tolva de recogida de lodos, de longitud aproximadamente igual a la mitad del radio con una rampa de carga que engarza con el sistema de rasquetas superficiales. La profundidad debe ser ligeramente por debajo del nivel en el tanque para asegurar la recogida en la zona superior más concentrada del lecho de lodos. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.11 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La alimentación está constituida por una campana de reparto que tiene por objeto lograr un reparto homogéneo y una tranquilización de la mezcla. La recogida de los lodos de la tolva central se realiza periódicamente. Los lodos espesados y los flotados se mezclan en una cámara provista de agitador para seguir la línea de tratamiento dispuesta. El líquido clarificado se recoge por rebose en un vertedero perimetral. La toma se debe alejar del fondo de forma que no le afecten los lodos que puedan depositarse. Generalmente se efectúa a través de un tabique deflector en forma de sifón. 4.3.3. ESPESAMIENTO POR CENTRIFUGACIÓN El espesamiento por centrifugación es una alternativa válida para cualquier tipo de lodo, aunque está más indicada para concentrar lodos muy hidrófilos (que difícilmente liberan el agua que contienen) de difícil compactación. 4.4. DIGESTIÓN O ESTABILIZACIÓN 4.4.1. DIGESTIÓN AEROBIA La digestión aerobia de los sólidos se produce siempre en cualquiera de los sistemas de tratamiento biológico secundario, e incluso en el proceso de aireación prolongada, esta digestión continúa casi hasta la máxima reducción de materia orgánica volátil. La aireación prolongada es un proceso biológico en el que la materia orgánica se digiere en presencia de oxígeno, y el lodo en exceso producido se conduce al proceso de estabilización, solo o mezclado con los lodos primarios (dando lugar a los lodos mixtos). En la estabilización lo que se pretende es continuar la oxidación de la materia orgánica que, en este caso, es celular. En el metabolismo de los microorganismos se pueden distinguir dos fases: Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.12 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Fase de asimilación o síntesis: los organismos consumen el alimento disponible creando nueva materia celular activa, por eso se denomina la fase de crecimiento. Esta fase tiene lugar principalmente en el tratamiento biológico secundario. • Fase de desasimilación o respiración endógena: en esta fase decrece la materia activa de los microorganismos, pues necesitan respirar, moverse, y ejercer sus funciones vitales, para lo cual consumen reservas y, por tanto, parte de su propia biomasa. Esta fase tiene lugar en la estabilización aerobia, donde se completa la oxidación total de la materia orgánica que entró en la planta. • APLICACIONES La estabilización aerobia se aplica en procesos biológicos que no tienen tratamiento primario, por ejemplo, en la aireación prolongada a baja carga, en la que además la producción de lodos es menor. En estos sistemas, la baja carga y los altos períodos de retención provocan que los lodos biológicos ya estén en parte estabilizados y, por tanto, las necesidades de oxígeno son menores, reduciéndose los costes de explotación. La digestión aerobia también se utiliza para el tratamiento de lodos mixtos, pero en este caso se necesita un aporte de oxígeno hasta 9 veces superior que cuando se trata sólo lodo biológico. Por esta razón, la estabilización aerobia no se utiliza normalmente para el tratamiento de lodos primarios. En el caso particular de España, debido al coste económico, sólo se utiliza en poblaciones de 40.000-50.000 h-e, aunque en otros países este límite es aún más bajo (hasta 10.000 h-e en Inglaterra). • VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PROCESO Las principales características de la digestión aerobia de lodos son las siguientes: • Alto coste de operación. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.13 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Producción de lodo con alto contenido en agua, más difícil de secar posteriormente. • Alta producción de lodos estabilizados. • Límite de carga determinado. • Bajo coste de inversión en equipos. • Producción de sobrenadantes que suelen ser fáciles de tratar cuando se recirculan en la instalación. • • Reducción de materia orgánica con bajo tiempo de retención. • Producción de pocos olores. • Tareas de control y limpieza de baja peligrosidad. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Los tanques de digestión aerobia pueden ser circulares o rectangulares, de 5 a 6 metros de profundidad, con o sin cubierta (en el caso de climas fríos, para ayudar al mantenimiento de la temperatura se suele instalar la cubierta). Los tanques van provistos de equipos de aireación de tipo turbina o difusores, para mantener las condiciones aerobias. Cada tanque tiene una turbina de alimentación de lodos a media profundidad y tras un tiempo de retención de aproximadamente 20 días, el lodo estabilizado se conduce mediante otra tubería a un espesador. Los lodos espesados en la parte inferior del tanque pueden o no ser recirculados, siendo lo primero lo más habitual porque permite aumentar los rendimientos, mientras que el sobrenadante (que se acumula en la parte superior del tanque, sobre la lámina de agua) es conducido a cabecera de planta. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.14 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 4.4.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA Los lodos procedentes de la etapa de espesamiento anterior tienen una concentración aproximada de sólidos de un 8-10% en los lodos primarios, un 47% en los lodos mixtos, y un 2-3% en lodos activos. De este contenido total de sólidos en un lodo, se puede considerar aproximadamente que un 30% corresponde a materia inorgánica o mineral y un 70% en peso a materia orgánica, la única que puede descomponerse en un proceso de digestión o estabilización. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.15 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Vista general del digestor anaerobio Vista general de la cúpula del digestor anaerobio con conducciones de biogas y recirculación de fangos digeridos Detalle de lanzas de biogas para agitación en Detalle de intercambiador de calor para la parte superior de la cúpula del digestor digestión de fangos anaerobio Las características del proceso de digestión anaerobia son las siguientes: • Reducción del volumen ocupado por los lodos. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.16 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Eliminación o destrucción de gran parte de la materia orgánica de los lodos, disminuyendo así el riesgo de putrefacción y la producción de malos olores. • Destrucción casi total de gérmenes patógenos. • Obtención de metano, de gran poder calorífico, que puede ser utilizado como fuente de energía dentro de la planta, y que supone un ahorro en consumo energético. • • Obtención de un lodo que se puede secar y evacuar fácilmente. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PROCESO La digestión anaerobia de lodos tiene las siguientes ventajas e inconvenientes comparado con la digestión aerobia: • Menor coste de explotación porque no tiene aireación. • Mejor concentración del lodo y mejor secado posterior. • Producción de gas metano que proporciona energía para otras operaciones. • Pequeña producción de lodos estabilizados. • Capacidad para tratar altas cargas hidráulicas y orgánicas. • Mayor coste de inversión en su construcción. • Producción de sobrenadantes que pueden ser difíciles de tratar cuando se recirculan en la instalación. • Los lodos necesitan una nueva estabilización antes de su evacuación final. • • Arranque lento y delicado. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO En la digestión anaerobia los sólidos orgánicos se descomponen en ausencia de oxígeno y, en consecuencia, se reduce el volumen de sólidos totales, gracias a la acción de por lo menos dos grupos diferentes de bacterias que viven juntas en el mismo medio. Estos grupos bacterianos son: Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.17 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Las bacterias metanogénicas (formadoras de metano), que convierten los ácidos principalmente en metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). El pH óptimo se encuentra entre 6,8 y 8,0 y si cae por debajo de 6,2 la producción de metano se detiene. • Las bacterias acidogénicas (formadoras de ácidos), que convierten fundamentalmente los sólidos complejos en sólidos más simples (denominados ácidos orgánicos), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Tienen una mejor tolerancia a los bajos valores de pH. Se considera que el proceso de digestión anaerobia funciona correctamente cuando la reducción de sólidos orgánicos volátiles en el lodo de salida está en el 40-60% respecto al lodo de entrada. Para conseguir esta reducción hay que conseguir que las reacciones de formación de ácidos y las de formación de metano estén en equilibrio, mediante el control del digestor a partir de los siguientes parámetros: • El suministro de alimento (sólidos orgánicos) al digestor. • La mezcla en el digestor. • La temperatura en el digestor. • La relación de ácidos volátiles/alcalinidad en el digestor. Si se produce un desequilibrio en el digestor, normalmente es debido a que las bacterias metanogénicas son organismos anaerobios muy sensibles y de crecimiento más lento, por lo que a veces no siguen el ritmo de las acidogénicas y el digestor se acidifica porque la velocidad de transformación de los ácidos es demasiado baja. 4.5. DESHIDRATACIÓN Una vez que el lodo ha sido tratado por el proceso de digestión, debe secarse y evacuarse. Para ello deben eliminar los lodos digeridos de la manera más práctica y menos costosa posible, aumentando al máximo el porcentaje de materia seca para reducir su volumen al mínimo. Con los métodos que se Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.18 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas emplean se consiguen lodos deshidratados con un 20-40% en peso de materia seca. El sistema de deshidratación empleado dependerá de las características de la EDAR, del tipo de lodo y del destino final de los mismos. Las estaciones depuradoras pequeñas suelen tener eras de secado, mientras que las mayores utilizan sistemas mecánicos de secado. 4.5.1. ERAS DE SECADO DE LODO Los lechos o eras de secado están formados por una capa de material drenante, dividida en compartimentos y sobre la que se vierte el lodo en espesadores de 20-30 cm como máximo. La superficie total de las eras se divide así en unidades menores, de tal forma que se llene cada una de ellas con los lodos extraídos del digestor correspondientes a dos días. La capa de material drenante debe estar constituida por una capa de arena de unos 10 cm de espesor, dispuesta sobre una capa soporte de grava de 20 cm. El lodo a secar puede ser llevado a las eras a través de canales abiertos, empleando compuertas de tajadera a la entrada a cada lecho de secado, o bien a través de tuberías, en las cuales la regulación del paso de lodo se lleva a cabo con válvulas. El sistema de drenaje subterráneo bajo la capa de soporte debe tener un buen mantenimiento. El número de tuberías y la pendiente de las mismas deben permitir un drenaje homogéneo de toda la masa de lodo y conducir toda el agua drenada a una arqueta de drenaje general, a partir de la cual se bombeará a cabecera de instalación. El secado de los lodos en este sistema se lleva a cabo en dos fases: • Filtración: el agua abandona el lodo por filtración a través de la arena, favoreciendo el desprendimiento de los gases ocluidos y Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.19 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas disueltos, que tienden a hacer flotar los sólidos. Esta fase puede durar las 12-18 primeras horas, en el caso de lodos de aguas residuales urbanas. En ella se obtiene una suspensión lodosa de hasta el 20% de sequedad. • Evaporación: esta fase es más lenta y produce una disminución de la capa de lodos, agrietando la superficie y favoreciendo la evaporación de las capas inferiores, al ser las grietas cada vez más profundas. Al final de esta fase el lodo tendrá una consistencia tal que le permitirá ser paleable, con una sequedad final de hasta un 40%. La extracción del lodo es normalmente manual, vertiendo el lodo en carretillas o cintas transportadoras, que lo conducen fuera de las eras para ser almacenados o cargados sobre camión. Con la retirada del lodo también se elimina algo de arena de la capa drenante al quedar adherida a la torta lo que obligará, cada cierto tiempo, a reponer la arena. El funcionamiento consiste, en primer lugar, en remover la capa de arena apelmazada con una horquilla de lodos con púas de 20 a 30 cm de longitud, que se introduce en la arena y se remueve hacia adelante y hacia atrás varias veces, teniendo cuidado de no mezclar las capas de arena y grava. A continuación, hay que rastrillarla con rastrillo de jardín para deshacer los terrones de arena y por último, se iguala la arena de la era con el mismo rastrillo o arrastrando una tabla con cuerdas para alisar la superficie. A continuación, ya se puede verter el lodo extraído del digestor primario, del digestor secundario (digestión anaerobia de lodos) o del espesador (estabilización aerobia de lodos). En el primer caso, el lodo ha de extraerse lentamente para no crear vacío dentro del digestor, asegurando que el lodo no se espesa y que deja de fluir por completo. La profundidad de la capa de lodo extendida sobre la era es, normalmente, de unos 30 cm, pero puede llegarse a los 45 cm durante las épocas muy calurosas. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.20 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas En las proximidades de la extracción de lodos para secado debe prohibirse fumar o encender fuego, pues el lodo puede contener gas metano, tal y como se comprueba si aparecen burbujas en la superficie del lodo en una era fresca. Ha habido casos de explosiones e incendios causados por una cerilla encendida o un cigarrillo arrojados a una era de secado de lodos. Después de haber llenado una era de secado, debe limpiarse con agua a chorro la tubería de extracción de lodos, para desprender los sólidos que hayan podido adherirse a las paredes de la misma, y también conviene que un extremo quede abierto, para que se escape el gas que se forma. Cuando las grietas llegan a la arena ya puede retirarse el lodo manualmente por medio de horcas. Los inconvenientes del proceso de las eras de secado son lo siguientes: • No se pueden usar equipos pesados porque el peso podría estropear el sistema de drenaje subterráneo. • La acción de rastrillado puede mezclar la arena con la grava, por lo que en la retirada de lodo seco éste puede ir mezclado con arena, lo que obliga a reponerla cada cierto tiempo. Para evitar el arrastre de arena con los lodos ya secos, pueden colocarse pequeñas tablas sobre la arena para carretillas y depositar la torta de lodos en ellas para trasladarla al lugar de evacuación. La torta de lodo seco tiene normalmente un espesor de 7 a 15 cm y no es pesada, a no ser que el lodo tenga una gran cantidad de material inorgánico sedimentable. Si una era se llena accidentalmente con lodo parcialmente digerido (también denominado “lodo verde”) requerirá una especial atención, pues el agua no drenará con rapidez, se producirán malos olores y la retención del agua proporcionará un excelente terreno de cría para insectos molestos (moscas, mosquitos, gusanos, etc.). En este caso se aconseja la adición de cal Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.21 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas seca sobre la era extendida con una pala y la pulverización con algún pesticida. En este caso, no deberá utilizarse el lodo como fertilizante. 4.5.2. SECADO MECÁNICO En las depuradoras en las que se producen grandes cantidades de lodo no es viable emplear eras de secado, por lo que se utiliza el secado mecánico mediante: • Filtros de vacío • Centrífugas • Filtros banda • Filtros prensa El sistema mecánico mediante filtros de vacío es un sistema de deshidratación de lodos que hoy en día ha sido desplazado por otros sistemas más sencillos de mantenimiento y de menor coste energético. Consiste fundamentalmente en un cilindro rotatorio, sobre el que descansa el medio filtrante, cilindro que está sumergido parcialmente en un tanque en el que se encuentra el lodo a deshidratar que ha sido acondicionado previamente. El tambor gira a una velocidad del orden de 10-30 revoluciones por hora, y las diversas celdas en que se encuentra dividida su superficie exterior van recubiertas por una tela filtrante constituida, normalmente, por fibras sintéticas. El vacío que se aplica al filtro varía entre 300 y 600 mm de Hg, y se crea por una bomba externa. El vacío se aplica a las celdas a través de un cabezal de control o válvula automática y las tuberías de filtrado. Este vacío provoca la absorción del líquido a través de la tela filtrante, al mismo tiempo que los sólidos en suspensión se depositan sobre la tela en una capa uniforme. A medida que el tambor avanza, las celdas van pasando por las siguientes fases de operación: Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.22 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Filtración • Secado • Descarga de la torta • Lavado de la tela La tela filtrante requiere un lavado a alta presión después de 12 ó 24 horas de servicio y, en algunos casos, un baño de ácido después de 1.000 ó 5.000 horas de funcionamiento. Su duración varía de 200 a 20000 horas. El líquido filtrado circula por los tubos de filtrado hacia la válvula automática y de ésta pasa a un separador de filtrado auxiliar, desde el que se bombea normalmente a cabecera del tratamiento de agua. Las centrífugas constan de un tambor cilíndrico-cónico que gira sobre un eje horizontal a gran velocidad. El lodo a deshidratar es introducido en la cuba a través de la conexión de entrada por medio de la alimentación. En el interior del tambor, debido a la fuerza centrífuga producida en el giro, la parte más pesada de la mezcla se deposita en el interior, donde es arrastrada a la salida de los sólidos por un tornillo helicoidal que gira a distinta velocidad que el tambor. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.23 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas En la parte cilíndrica del tambor se produce la sedimentación de las partículas sólidas, mientras que en la parte cónica se lleva a cabo un escurrido progresivo de las partículas, hasta llegar a la salida exenta de líquido libre. El agua, al tener un peso específico distinto al de los sólidos, ocupa dentro del tambor una zona distinta, formando un anillo interior al formado por los sólidos. El recorrido de las fases sólidas y líquida entre el tambor y el cuerpo de tornillo se realiza en contra-corriente (la parte cilíndrica, el sólido y el líquido circulan en sentido en la parte cilíndrica). El líquido que sale de la centrífuga se devuelve a los decantadores primarios, y la torta de lodo se transporta a un pozo de recogida o a una cinta transportadora para su evacuación. Una gran parte de arenas en el lodo aumenta la velocidad de desgaste de la centrífuga. El estado de la torta descargada y la calidad del líquido centrifugado dependen principalmente del caudal de alimentación, la profundidad del depósito del lodo y la velocidad de giro de la centrífuga. Un filtro banda es un sistema mecánico de deshidratación que permite al lodo floculado un drenaje libre y un posterior prensado progresivo. Los filtros banda se basan en la buena drenabilidad del lodo previamente acondicionado con polielectrolito, pues el lodo floculado tiene una gran capacidad de escurrir rápidamente por drenaje a través de un tamiz o tela de abertura de malla relativamente grande. El lodo floculado tiene una estructura relativamente frágil, por lo cual la suspensión debe ser manipulada con sumo cuidado para evitar la formación de finos por ruptura de los flóculos, que obstaculizarían el drenaje por atascamiento de la banda yo conducirían a pérdidas de sólidos que pasarían a través de la tela. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.24 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas El proceso del filtro banda se lleva a cabo en dos fases. La fase de drenaje es muy importante, ya que proporciona al lodo una cohesión suficiente para que en la siguiente fase se produzca la expulsión del agua por prensado progresivo. En esta fase, el lodo se vierte sobre una banda portadora, que drena parte del contenido inicial del agua durante su recorrido, que termina en una zona de cuña formada por la banda portadora y una segunda banda donde, bajo una presión ascendente, los lodos se deshidratan hasta obtener una consistencia adecuada para su posterior tratamiento en las siguientes zonas de filtración. Durante la fase de prensado, la torta se coloca entre las bandas filtrantes, las cuales son guiadas a través de unos tornillos de prensado que simultáneamente producen un efecto de cizalladura, consiguiéndose la deshidratación de la torta. La presión ejercida entre las bandas depende del tensado de las mismas, el cual se fija en la puesta en marcha mediante un dispositivo adecuado, y no debe ser variado posteriormente. Una vez que la torta de lodos ha pasado por la zona de cizalladura, es descargada de la banda filtrante por medio de rasquetas. La velocidad de avance de las bandas depende de la drenabilidad de la suspensión floculada para una zona de drenaje determinada. El ajuste de los Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.25 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas filtros banda se lleva a cabo, por lo tanto, de una manera empírica a través de ensayos. La presión de deshidratación se consigue presionando las telas de filtración a través de cilindros neumáticos o hidráulicos que actúan sobre unos rodillos móviles. El filtro prensa es el único sistema que garantiza unas presiones efectivas muy elevadas, con las que se consiguen sequedades de torta máximas. Por lo tanto, este sistema se utiliza cuando es necesario obtener una sequedad del lodo deshidratado superior a la que es posible conseguir con los sistemas anteriormente descritos. Es el caso de los lodos que son incinerados o en los que el transporte de la torta resulta a un precio tan elevado que es importante una reducción máxima de su peso y volumen. El filtro prensa está constituido por un conjunto de placas con canales recubiertas de una tela filtrante, que en su posición vertical, se yuxtaponen y apoyan fuertemente unas contra otras por tornillos hidráulicos que están dispuestos en uno de los extremos de la batería. La estanqueidad del conjunto queda asegurada por la presión que una placa aplica sobre otra. En este caso el lodo se bombea al filtro a través de unos orificios de comunicación que se encuentran situados en el centro de cada placa, pasando a ocupar el espacio existente entre las placas. Debido a la progresiva presión ejercida, se elimina parte del agua contenida en el lodo, traspasando la tela filtrante y dirigiéndose a los orificios acanalados de la placa, donde son Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.26 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas encauzados a los conductos de evacuación situados en los extremos de las mismas. Así, el espesor de la torta obtenida se corresponde con la parte hueca central que queda entre las dos placas. En general, en el caso de la deshidratación mecánica, los lodos deben ser previamente acondicionados, bien química bien térmicamente. El acondicionamiento se realiza para facilitar la pérdida de agua de los lodos durante el secado mecánico, haciéndolo más rápido, eficaz y rentable económicamente. Consiste, básicamente, en romper la estabilidad de las partículas que están en el lodo, aumentando su tamaño artificialmente. Un acondicionamiento adecuado del lodo es la base para un correcto funcionamiento del sistema de deshidratación. • ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO DE LOS LODOS Los reactivos químicos utilizados para acondicionar los lodos pueden ser de origen mineral u orgánico. Normalmente, los reactivos minerales se adaptan mejor a una deshidratación por filtros de vacío y filtros prensa, y los reactivos orgánicos a la centrífuga y filtro banda. Los reactivos minerales más empleados son la cal (CaO) y el cloruro férrico (FeCl3), pues producen un flóculo relativamente fino y estable. Cuando se emplea cal y cloruro férrico, los porcentajes son, normalmente, del 30% y del 3-12%, respectivamente, con relación con las materias secas del lodo. También se suelen emplear sales ferrosas y varias sales de aluminio. Para conseguir una buena floculación del lodo es necesario garantizar un tiempo de maduración de 15-30 minutos, en el cual el lodo está en la cámara de mezcla y luego pasa a la arqueta del filtro a vacío o al depósito que precede al filtro prensa. Los polielectrolitos orgánicos pueden ser aniónicos o catiónicos: • Polielectrolitos aniónicos: son eficaces para el acondicionamiento de lodos fuertemente minerales (materia volátil/materia seca = 30-35%) Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.27 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Polielectrolitos catiónicos: son eficaces para los lodos con elevado contenido de materia orgánica (materia volátil/materia seca = 5075%) y para los medianamente mineralizados (materia volátil/materia seca = 35-45%). Los polielectrolitos se suministran en forma de polvo o líquido muy viscoso, con un 15-30% de producto activo: • Para asegurar una buena mezcla de los productos líquidos con el lodo conviene inyectarlo en forma de solución acuosa muy diluida (0,05-0,1%) en la tubería de llegada del lodo al sistema de deshidratación, para lo cual se preparan “disoluciones madre” al 0,31% de producto, que se diluyen instantáneamente y de forma continua antes de su inyección en el lodo. • Para los productos en polvo, caso más frecuente, la preparación de la solución madre comprende, en primer lugar, una fase de mojado o dispersión del producto. Esta dispersión debe hacerse con sumo cuidado para evitar la formación de grumos que tarden mucho tiempo en disolverse. Una vez preparada la solución madre, debe dejarse madurar durante una o dos horas. • ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO El acondicionamiento térmico consiste en una cocción de los lodos a una temperatura de 160 a 210ºC. La sequedad que se consigue en lodos acondicionados térmicamente es, en general, superior a la que se consigue cuando se emplean reactivos químicos. Además, con el acondicionamiento térmico se consigue también deshidratar el lodo. Los líquidos que se extraen de los lodos cocidos deshidratados tienen una alta carga de DBO5 (entorno a 2.000-5.000 mg/l), lo que obliga a disponer de un depósito amortiguador de almacenamiento para poder inyectarlos a la Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.28 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas entrada de la depuración biológica en las horas de menor contaminación, o bien disponer de un tratamiento biológico independiente para estos efluentes. El acondicionamiento térmico requiere una importante inversión de instalación y elevados costes de mantenimiento. Por esta razón, en grandes plantas se lleva a cabo una digestión anaerobia de los lodos, que produce gas en exceso que sirve para satisfacer gran parte de la demanda energética necesaria. Esto permite mantener la cocción con un caudal continuo y estable de lodos. 4.6. DESTINO FINAL DE LOS LODOS Los lodos de depuradora tienen propiedades agronómicas útiles en el ámbito de la agricultura. La utilización de los lodos de depuradora debe tener en cuenta las necesidades en nutrientes de las plantas, pero no debe perjudicar la calidad de los suelos y de la producción agrícola. En efecto, determinados metales pesados en los lodos pueden ser tóxicos para las plantas y para el ser humano. Los lodos de depuradora pueden utilizarse en agricultura siempre que se regule su utilización. En la Directiva 86/278/CEE figuran los valores límite relativos a las concentraciones de metales pesados en los suelos (anexo IA), en los lodos (anexo IB) y a las cantidades máximas anuales de estos metales pesados que pueden ser introducidas en los suelos destinados a la agricultura (anexo IC). Los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas están regulados por las normas sobre residuos con la particularidad de que su aplicación como fertilizante o como enmienda orgánicos debe ajustarse a las siguientes disposiciones: • RD 1310/1990, de 29 de octubre, por el que se regula la utilización de los lodos de depuración en el sector agrario (http://www.ema-formacion.com/cursos/22/pdf/RD_1310-90.pdf). Con este RD se establecen una serie de controles por parte de las Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.29 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas CC.AA. para el seguimiento y utilización de los lodos en la actividad agraria y se crea el Registro Nacional de Lodos (RNL). • Orden de 26 de octubre de 1993 (http://www.ema- formacion.com/cursos/22/pdf/Orden_26-10-93.pdf) sobre utilización de los lodos de depuradora en agricultura, establece las exigencias del suministro de información al RNL sobre producción de lodos y cantidades destinadas a los suelos agrícolas. • RD 824/2005, de 8 de julio, sobre productos fertilizantes (http://www.ema-formacion.com/cursos/22/pdf/RD_824-05.pdf). Regula las enmiendas orgánicas elaboradas con residuos orgánicos entre los que se incluyen los lodos de depuradora. La gestión de lodos de EDAR (LD), código LER 190805, tiene con respecto a otros tipos de residuos la peculiaridad de que ciertos usos y posibilidades de reciclaje están regulados por normas específicas, algunas de carácter agronómico al existir la posibilidad de utilizarlos como abonos y enmiendas orgánicas en los suelos. En este sentido la Directiva 86/278/CEE, relativa a la protección del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilización de los lodos con fines agrícolas, regula las condiciones en que podrán ser aplicados los LD a los suelos agrícolas, condiciones tendentes a la protección del posible efecto nocivo sobre las aguas, el suelo, la vegetación, los animales y el propio hombre. La citada Directiva prohíbe el empleo de LD sin tratar, salvo en los casos de inyección directa o enterramiento en el suelo, siempre que lo autoricen los Estados miembros (en España no está autorizado). Asimismo, y con el fin de proteger la salud, prohíbe la aplicación en determinados cultivos, al tiempo que establece plazos para su aplicación en los autorizados. La citada Directiva señala que la utilización de los lodos en agricultura debe hacerse teniendo en cuenta las necesidades de nutrientes de las plantas. Al mismo tiempo limita los contenidos en metales pesados y exige análisis periódicos de los suelos y de los LD. Finalmente establece la exigencia de un control estadístico de los LD producidos, cantidades dedicadas a fines agronómicos, composición y Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.30 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas características de los LD, tipos de tratamiento, y destinatario y lugar de aplicación. Esta Directiva fue transpuesta al Derecho interno español por Real Decreto 1310/1990, en el que se designa al Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (actual MARM) y a las autoridades responsables de las Comunidades Autónomas en esta misma materia como los competentes en materia de aplicación y control de la citada Directiva. El uso del lodo en aplicación agrícola tiene riesgos de contaminación del medio ambiente, especialmente del suelo. Las dosis de aplicación deben fijarse en base a las características agronómicas, a la acumulación permitida de metales en los suelos y a las exigencias en nutrientes de los cultivos. Tres son los principales usos posibles de lodos de depuradora: • la aplicación al suelo con fines de fertilización y reciclaje de los nutrientes y la materia orgánica; • la valorización energética en todas sus variantes, incluida la biometanización; • y el depósito en vertedero. De acuerdo con el artículo 1.1 de la Ley 10/1998, de Residuos, éste es, precisamente, el orden de prioridad en que se debe decidir el destino final de los LD. Es pues en este mismo orden en el que se deben prever en las medidas para estimular su correcta gestión. Siempre que los LD cumplan con los requisitos legales, incluidos los que puedan establecerse en el futuro (bajo contenido en metales pesados y otros contaminantes orgánicos, así como en patógenos, y exista disponibilidad de suelo apto para su aplicación) se considera que la opción más sostenible es el reciclaje de nutrientes y materia orgánica mediante su aplicación al suelo. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.31 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Para su empleo en éste es obligado someter los lodos a tratamientos biológicos (aerobios o anaerobios), térmicos (secado o pasteurización), químicos (encalado) o almacenamientos prolongados. Con el fin de potenciar y mejorar el reciclaje de este tipo de residuos se hace necesario el impulso y fomento de líneas de tratamiento para los lodos, así como la previsión de equipamientos científicos y técnicos para su análisis y el seguimiento de sus aplicaciones al suelo y para la analítica inicial y periódica de los terrenos donde se aplica. El PNIR 2008-2015 establece los siguientes objetivos ecológicos: USOS Aplicación en suelos agrícolas Valorización en otros suelos u otros tipos de valorización Incineración Depósito en vertedero Correcta gestión ambiental de las cenizas de incineración 2015 67% 18% 3% 12% 100% (de las cenizas generadas) NOTA: Los objetivos de reciclado y valorización deben entenderse como objetivos a alcanzar y los de eliminación como tope máximo 4.6.1. PROBLEMÁTICA DE LOS LODOS DE EDAR La aplicación de la Directiva del Consejo de la UE sobre tratamiento de aguas residuales urbanas (91/271/CEE) hace que la mayoría de los municipios escojan tecnología de lodos activos, debido a su carácter compacto, su fiabilidad y su eficacia. Sin embargo, esta tecnología produce grandes cantidades de lodo. Los lodos residuales se deben tratar para facilitar su manejo y evitar posibles problemas, desde el olor a los agentes patógenos. Entre estos procesos están el espesamiento, la desinfección, la estabilización, el acondicionamiento, la desecación, el secado final y el compostaje. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.32 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Después de tratar los lodos se obtienen lodos líquidos (estabilizados o no), lodos sólidos (estabilizados o no), lodos desecados y compost. El coste del tratamiento y eliminación de los lodos supone hasta la mitad del coste total del tratamiento de aguas residuales, y aumentará, por el endurecimiento de la legislación. A causa de las características físico-químicas del proceso de lodos activados, el lodo tiende a acumular una serie de metales y compuestos orgánicos. • METALES Principalmente zinc, cobre, níquel, cadmio, plomo, mercurio y cromo. Su potencial acumulación en los tejidos humanos y en la cadena alimentaria preocupan medioambiental y sanitariamente. Están presentes, a concentraciones bajas, en las aguas residuales domésticas, pero son mayores en las industrias. Los agentes y las vías de contaminación por metales pesados en las aguas residuales de origen urbano son diversos: vertidos ilegales a la red de alcantarillado de aceites lubricantes usados (Pb), pinturas y colorantes con ciertos niveles de plomo, vertidos de taladrinas (sustancias utilizadas en la industria metalúrgica como refrigerantes y lubricantes) con alto contenido en metales, pilas botón con elevados niveles de níquel, cadmio o mercurio procedentes del ámbito doméstico, residuos originarios de la industria del decapado... También proceden de la corrosión de tuberías y depósitos metálicos y del arrastre por la limpieza de calles o las lluvias (Pb de las gasolinas). • NITRÓGENO Y FÓSFORO Su peligrosidad radica en su potencial de eutrofización para las aguas subterráneas y superficiales. Sin embargo, se pueden considerar como fertilizantes valiosos por su alto contenido en materia orgánica. En las áreas sensibles identificadas, la Directiva sobre aguas residuales exige un Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.33 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas tratamiento terciario (eliminación de los nutrientes) que producen lodos con alto contenido en nutrientes. • CONTAMINANTES ORGÁNICOS Los plaguicidas, los disolventes industriales, los colorantes, los plastificantes, los agentes tensioactivos y muchas otras moléculas orgánicas complejas, generalmente con poca solubilidad en agua y elevada capacidad de adsorción, tienden a acumularse en los lodos. Incluso están presentes en los lodos residuales hidrocarburos aromáticos, procedentes de la quema de los combustibles fósiles. Todos tienen efectos negativos sobre el medio ambiente y la salud. • AGENTES PATÓGENOS Son las bacterias (Salmonella), los virus (enterovirus), los protozoos, los trematodos, los cestodos y los nematodos. Para que cualquier vertido de los lodos sea seguro se precisa la eliminación o inactivación de estos agentes patógenos. Para ello, se les puede aplicar una serie de tratamientos, como la pasteurización, la digestión aerobia o anaerobia, el composting, la estabilización con cal, el almacenamiento en estado líquido y la desecación y el almacenamiento en seco. 4.6.2. EVALUACIÓN DEL RIESGO EN LA APLICACIÓN COMO FERTILIZANTES Con objeto de evaluar adecuadamente el riesgo que comporta la utilización de lodos de depuradora con fines agrícolas y forestales, conviene tener en cuenta el conjunto de factores que determinan la movilidad de los metales pesados: • A menor pH mayor solubilidad de los metales y, por tanto, mayor movilidad de éstos, con lo que se incrementa la toxicidad para las plantas. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.34 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Contenido de materia orgánica. Los suelos que presentan contenidos de materia orgánica superiores al 5% (situación poco frecuente en nuestro país, donde el contenido medio no suele superar el 1%), tienen un nivel bajo de captura de metales por las plantas pues los metales quedan retenidos en el suelo. No obstante, a medida que la materia orgánica se degrada, las formas moleculares resultan ser más sencillas, permitiendo su movilización. La adición, durante el proceso de compostaje del lodo, de cenizas volantes o de barros del refinado de la bauxita, por su carácter básico y por el elevado poder de adsorción, previene la liberación de metal y mejora la retención del mismo por el suelo. • Potencial redox. Las condiciones reductoras favorecen la solubilización. • La granulometría del suelo condiciona la captura de metal, de modo que una textura arcillosa contribuye a una menor acumulación de metales en las plantas. • El tratamiento del suelo con óxidos e hidróxidos de hierro y manganeso previene la movilización de los metales pesados gracias a la alta capacidad de adsorción ejercida sobre la mayoría de los metales así como por el carácter básico que confieren a los suelos aplicados. • La presencia de apatito e hidroxiapatito en los suelos tratados con los lodos mejora la inmovilización de los metales porque el elevado contenido de calcio permite el intercambio iónico de éste con los metales presentes, a la formación de fosfatos metálicos insolubles y al incremento de la alcalinidad para el hidroxiapatito. • La aplicación de los lodos a suelos calizos mejora la retención de los metales, ya que el proceso de hidrólisis queda contrarrestrado por la presencia del carbonato de calcio, que previene el descenso del pH impidiendo la movilización de metales. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.35 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 4.6.3. NORMAS DE CALIDAD DE LOS LODOS Algunos consideran que, los principales metales pesados que pueden ser peligrosos son Cd, Pb y Hg. El Pb y el Hg no se absorben en los cultivos y, por tanto, no plantean riesgos en la ingestión de productos y el Cd atraviesa la barrera suelo-planta y puede acumularse en concentraciones peligrosas. La aplicación de lodos a las tierras de cultivo pretende aprovechar la capacidad del suelo para asimilar, atenuar y destoxificar a los contaminantes. La contaminación de las aguas subterráneas por lixiviación de los nitratos es el efecto más importante derivado de la utilización de lodos en agricultura, en el contexto de la actual legislación medioambiental. Sin embargo, si la cantidad total de nitratos permanece según las necesidades de nitrógeno de los cultivos, la contaminación por nitrato de aguas subterráneas permanecerá a un nivel mínimo. Hasta ahora, el riesgo para la salud humana de cultivos en suelos tratados con lodos parece ser pequeño, ya que la absorción de contaminantes orgánicos por las plantas parece ser escasa o nula y no hay bioacumulación en el ganado. El RD 1310/1990 limita los índices de concentración de metales pesados, tanto en los lodos residuales como en el suelo. Los suelos sobre los que pueden aplicarse los lodos tratados deberán de presentar una concentración de metales pesados inferior a: VALORES LÍMITE PARÁMETROS SUELOS CON pH SUELOS CON pH MENOR DE 7 MAYOR DE 7 Cadmio 1 3 Cobre 50 210 Níquel 30 112 Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.36 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Plomo 50 300 Zinc 150 450 1 1,5 100 150 Mercurio Cromo VALOR LÍMITE DE CONCENTRACIÓN DE METALES PESADOS EN LOS SUELOS (mg/kg de materia seca de una muestra representativa de los suelos) Los lodos tratados a utilizar en los suelos no pueden exceder, en cuanto al contenido en metales pesados, los siguientes valores límites: VALORES LÍMITE PARÁMETROS SUELOS CON pH SUELOS CON pH MENOR DE 7 MAYOR DE 7 20 40 Cobre 1.000 1.750 Níquel 300 400 Plomo 750 1.200 2.500 4.000 16 25 1.000 1.500 Cadmio Zinc Mercurio Cromo VALOR LÍMITE DE CONCENTRACIÓN DE METALES PESADOS EN LOS LODOS DESTINADOS A SU UTILIZACIÓN AGRÍCOLA (mg/kg de materia seca ) Las cantidades máximas de lodos que pueden aportarse al suelo por hectárea y año serán las que, de acuerdo con el contenido en metales pesados de los suelos y lodos a aplicar, no rebasen los siguientes valores límite de incorporación de los metales pesados: PARÁMETROS Cadmio VALOR LÍMITE 0,15 Cobre 12 Níquel 3 Plomo 15 Zinc 30 Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.37 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Mercurio 0,10 Cromo 3 VALORES LÍMITE PARA LAS CANTIDADES ANUALES DE METALES PESADOS QUE SE PODRÁN INTRODUCIR EN LOS SUELOS BASÁNDOSE EN UNA MEDIA DE 10 AÑOS (hg/ha/año) Además, se establecen las siguientes prohibiciones: • Aplicar lodos tratados en praderas, pastizales y demás aprovechamientos a utilizar en pastoreo directo por el ganado, con una antelación menor de tres semanas respecto a la fecha de comienzo del citado aprovechamiento directo. • Aplicar lodos tratados en cultivos hortícolas y frutícolas durante su ciclo vegetativo, con la excepción de los cultivos de árboles frutales, o en un plazo menor de diez meses antes de la recolección y durante la recolección misma, cuando se trate de cultivos hortícolas o frutícolas cuyos órganos o partes vegetativas a comercializar y consumir en fresco estén normalmente en contacto directo con el suelo. Los lodos y los suelos sobre los que se han utilizado éstos deben ser objeto de un muestreo y un análisis. Los entes locales y demás titulares, en su caso, de EDAR tienen que facilitar al órgano competente de la CC.AA. correspondiente, con una periodicidad anual, la información siguiente: • Las cantidades de lodo producidas y el destino de las mismas, con especificación de aquellos lodos que se utilicen en la actividad agraria. • La composición y características de los lodos producidos y los destinados a la actividad agraria. • El tipo de tratamiento realizado sobre los lodos de depuración. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.38 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Los nombres y domicilios de los destinatarios de los lodos tratados1 y las zonas de utilización de éstos. El MARM, con la información suministrada por las CC.AA., debe establecer cada cuatro años un informe de síntesis sobre la utilización de los lodos en la agricultura, precisando las cantidades de lodos utilizados, los criterios seguidos y las dificultades encontradas y lo transmitirán a la Comisión, que publica las informaciones contenidas en dicho informe. 4.7. LÍNEA DE GAS La línea de gas se encarga de aprovechar los gases obtenidos en la digestión anaerobia de los fangos para equipos instalados en la misma planta o incluso (si se dispone de motores) generar electricidad. Debido al poder calorífico del gas de digestión que oscila sobre las 5.500 kcal/m3, es interesante emplearlo para diversos fines. El gas se recoge del digestor y por medio de unas tuberías se lleva hasta un gasómetro donde es almacenado. Más tarde es utilizado para alimentar las calderas de agua caliente que, mediante intercambiadores de calor agua−fango, comunicarán a éste la temperatura óptima para mantener el proceso de digestión. 1 Son los lodos de depuración tratados por una vía biológica, química o térmica, mediante almacenamiento a largo plazo o por cualquier otro procedimiento apropiado, de manera que se reduzca de forma significativa su poder de fermentación y los inconvenientes sanitarios de su utilización. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.39 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Gasómetro En plantas depuradoras de gran tamaño, el gas producido en la digestión excede las necesidades para el calentamiento del fango, por lo que es posible emplearlo para otras finalidades. Una de estas posibilidades, la más usual hoy en día, es utilizarlo como combustible de alimentación a motores que hacen funcionar un generador de energía eléctrica para el aprovechamiento de la misma en la planta. 4.7.1. CARACTERÍSTICAS DEL GAS DE DIGESTIÓN El gas biológico contiene, fundamentalmente, metano, dióxido de carbono y otros productos en baja proporción. Está generalmente saturado en agua. Su naturaleza varía en función de la calidad del efluente y del control de la fermentación. La composición media en volumen del gas biológico aproximadamente es: • Metano..............65% • CO2 ...................32% • N2......................1−2% • H2S ...................0,03% • Otros.................0,07% Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.40 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas El metano tiene un poder calorífico de 8.560 kcal/m3 y es el que consigue que el poder calorífico del gas suba a valores de 5.500 kcal/m3 cuando se encuentra en una proporción de 65%. El gas que realmente interesa es el metano que es el que hace aumentar el poder calorífico del biogás, los restantes gases son trazas indeseables que empeoran su calidad. El gas carbónico y el vapor de agua, por el volumen que ellos ocupan en el cilindro, perjudican el funcionamiento del motor, reduciendo la potencia en los motores de aspiración natural. En los motores sobrealimentados, el gas carbónico actúa como retardador de la detonación, efecto favorable, y como ralentizador de la combustión, efecto desfavorable. El H2S provoca corrosión sobre los sistemas de alimentación y las partes calientes de la máquina. Por este motivo, se debe limitar su contenido en el gas a un porcentaje lo más bajo posible. Para reducir el contenido de este gas se utilizan filtros de limonita o también se procede a realizar un lavado del gas con agua a contracorriente. 4.7.2. COGENERACIÓN Podemos definir cogeneración como la producción y aprovechamiento simultáneos de electricidad y calor, con ellos se puede producir electricidad a un coste inferior al del suministro de la compañía eléctrica y tener el calor necesario para el secado a un coste cero. La cogeneración contribuye a la valorización del gas producido en el proceso de estabilización de los lodos, al aprovechar su alto poder calorífico para la producción combinada de energía eléctrica y calorífica. Con la cogeneración ahorramos energía procedente de combustibles fósiles (petróleo, carbón o gasóleo) contribuyendo a la conservación de recursos no renovables. El esquema básico sería que por cada 100 unidades de combustible se generan 35 de electricidad y 65 en forma térmica, de los que 50 podrían Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.41 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas aprovecharse y 15 son perdidos. La distribución entre energía eléctrica y térmica será variable, dependiendo de los equipos empleados, siendo la producción eléctrica más alta en motores que en turbinas y a la inversa, por lo que hace referencia a la energía térmica. Los posibles equipos de cogeneración asociados al secado térmico de fangos son: • Motogeneradores: el tipo de motor más usual sigue el ciclo Otto y quema combustibles gaseosos (normalmente gas natural). El gas se mezcla con el aire de combustión y se introduce en los cilindros: la explosión libera el calor en forma de gases y mueve el cigüeñal que, a la vez acciona el alternador que genera electricidad. • Turbinas de gas: en las turbinas el combustible (gas) y el aire se introducen comprimidos en la cámara de combustión. La expansión de los gases de combustión pone en rotación los alabes de la turbina que, a través de un reductor de velocidad, acciona el alternador. • Turbinas de vapor: de hecho no es propiamente un sistema de cogeneración en el sentido estricto, ya que se precisa de una fuente que genere calor (por ejemplo los gases procedentes de una combustión convencional). Los gases entran dentro de una caldera de vapor y éste mueve una turbina que a su vez, acciona un alternador. • Ciclos combinados: esta variante es una combinación de un ciclo simple, con una turbina de gas y turbina de vapor para aprovechar el caudal de gases calientes, por lo que conseguimos un mayor rendimiento. Unidad 4: Gestión de Lodos y Línea de Gas 4.42 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 5.1. EVACUACIÓN DE EFLUENTES Y EMISARIOS ...................................... 2 5.2. REUTILIZACIÓN DE AGUAS ................................................................... 4 5.2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................... 4 5.2.2. CALIDAD REQUERIDA PARA LOS DIFERENTES USOS................ 6 5.2.2.1. Criterios de calidad para la reutilización de las aguas según sus usos 10 5.2.3. TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES PARA REUSO.......... 17 5.2.3.1. Desalación de aguas provenientes de una EDAR .................... 18 5.2.3.1.1. Desalación por ósmosis inversa ........................................... 18 5.2.3.1.2. Electrodiálisis reversible ....................................................... 18 5.2.3.1.3. Pretratamientos necesarios para la desalación de ARU....... 19 5.2.3.2. 5.2.4. 5.3. Otros tratamientos .................................................................... 21 EFECTOS DEL PROBLEMA DEL AGUA EN LA AGRICULTURA .. 21 PLAN NACIONAL DE CALIDAD DE LAS AGUAS: SANEAMIENTO Y DEPURACIÓN 2007-2015 ................................................................................. 24 Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.1 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 5.1. EVACUACIÓN DE EFLUENTES Y EMISARIOS El vertido de aguas residuales tratadas a cauces públicos o zonas litorales debe someterse a tratamientos dependiendo de las condiciones del medio receptor, de las características del agua residual y del caudal total a verter. Al final de todos los procesos de tratamiento, el agua depurada normalmente se conduce a un depósito de agua tratada. Parte de este agua se reutiliza en el proceso de limpieza y regadío de la propia EDAR. Posteriormente, el agua con las garantías de calidad exigidas, se envía al río contribuyendo de esta forma a mantener el equilibrio ecológico de las aguas en la desembocadura del río. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.2 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas En el caso de que el vertido se realice en el mar, se deberá hacer uso de un emisario submarino, consistente en un conducto que transporta el efluente a verter a la suficiente distancia, mar adentro, y a la suficiente profundidad como para que el efecto del vertido, en la superficie y en la costa, sea mínimo. Como las aguas residuales son menos densas que las del mar, ascienden forzando la mezcla entre ambas. Los emisarios submarinos son sistemas de tuberías (de hierro fundido, acero, hormigón o plástico), conducciones cerradas y estructuras adecuadamente acopladas y ancladas al lecho marino, con el fin de realizar una descarga de aguas residuales en un lugar de una masa de agua donde la hidrodinámica favorezca la dilución y dispersión del efluente, tratando de forma natural las descargas biodegradables. Esta disposición se hace a través de una serie de difusores (múltiples alargados) que poseen bocas (puertos o boquillas) instaladas al final de la línea del emisario. El flujo de agua residual que sale a través de los orificios en el difusor recibe el nombre de pluma o chorro, y se recomienda que la longitud de la tubería sea superior a 500 m. La siguiente figura presenta un esquema de un emisario submarino. Para el diseño del emisario submarino es fundamental disponer de datos importantes como investigaciones geofísicas, propiedades de los materiales del lecho marino, dinámica geotécnica de la costa y del suelo marino, la hidrodinámica marina, el estudio de la dilución inicial y del transporte de contaminantes al medio marino. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.3 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 5.2. REUTILIZACIÓN DE AGUAS 5.2.1. INTRODUCCIÓN Tanto el tratamiento de aguas residuales como la desalación del agua constituyen posibles fuentes de agua para la agricultura y otros fines. Las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales terciarias y a la desalación del agua tienen elementos comunes. La reutilización de aguas residuales en la agricultura es, por lo general, menos costosa que la desalación del agua. Sin embargo, la reutilización de aguas residuales tratadas plantea también problemas en lo que respecta a la percepción del público y a posibles riesgos para la salud y el medio ambiente. Por consiguiente, se deberán introducir programas para informar a la opinión pública sobre los beneficios de la reutilización de las aguas residuales tratadas. En la agricultura urbana y periurbana se puede recurrir a soluciones híbridas, como por ejemplo una combinación de depuradoras de aguas residuales y plantas de desalación. Aun así, es muy importante establecer normas relativas a la calidad de las aguas procedentes de depuradoras y la consiguiente vigilancia de los efluentes. Aunque la OMS y la FAO han elaborado directrices sanitarias para la reutilización de aguas residuales tratadas, no se han establecido normas comunes debido a la falta de una aplicación sistemática en países que tienen diferentes escalas para valorar los costos y beneficios del tratamiento. Por las razones antes indicadas, se deberán tener debidamente en cuenta tanto los problemas como los beneficios de la reutilización de aguas residuales y la desalación del agua. La recuperación de la calidad del agua mediante la depuración de las aguas residuales en las estaciones correspondientes (EDAR) y su posterior reutilización es una forma de aumentar los recursos disponibles además de minimizar el impacto de su vertido al medio ambiente en las zonas con escasez de agua. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.4 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Se debe distinguir muy claramente entre una reutilización directa y la reutilización indirecta a través de cursos naturales. En los sistemas de explotación interiores las aguas residuales se vierten más o menos tratadas a ríos o embalses, y pueden ser diluidas aguas abajo para ser parcialmente reutilizadas en zonas aguas abajo para nuevos usos urbanos, industriales o agrícolas. Sin embargo en zonas costeras las aguas residuales suelen ser evacuadas al mar a través de emisarios, cauces o acuíferos sin posibilidad de aprovechamiento posterior. Por lo tanto, es en esas zonas costeras o en zonas interiores con problemas de abastecimiento donde se puede plantear la reutilización directa y planificada del agua residual hasta su aprovechamiento sin dilución previa. Un factor a tener en cuenta en la reutilización de aguas es la aceptación pública del reciclado, una barrera hasta ahora insalvable en ciertos lugares. A los seres humanos nos encanta creer que el agua que usamos es siempre nueva, que es un bien inagotable. Pensar que estamos utilizando o reusando un agua reciclada, y más si su procedencia es urbana, repugna de antemano. A veces una cuestión semántica puede resolver el problema: por ejemplo si se nos dice que se trata de un agua regenerada, estaríamos más inclinados a usarla. La calidad del agua depurada debe ser el mayor empuje para la progresiva aceptación de este nuevo recurso. Los astronautas llevan mucho tiempo consumiéndola, tal vez su aceptación sea de algún modo forzosa en este tipo de situaciones sin otra alternativa posible. En la actualidad, utilizando una cuidadosa metodología de investigación previa y adecuados tratamientos avanzados, se puede reutilizar agua residual urbana para cualquier uso, incluido el de agua potable para uso humano. Por lo tanto, son necesarios dos pasos principales para cualquier proyecto de reutilización de ARU: • Definir los niveles de calidad adecuados para el uso previsto. • Establecer los procesos de tratamiento necesarios (suelen llamarse terciarios avanzados) para la calidad del efluente recomendada. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.5 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 5.2.2. Para CALIDAD REQUERIDA PARA LOS DIFERENTES USOS que la reutilización sea posible como fuente alternativa de abastecimiento y ofrezca seguridad desde el punto de vista sanitario y ambiental, es imprescindible que el agua residual se depure hasta que reúna la calidad apropiada a su nuevo uso. Así, para cualquier aplicación relacionada con el contacto o la alimentación humana/animal, el agua no debe contener organismos patógenos y sustancias tóxicas; para la recarga de acuíferos el agua debe tener características de agua mineral, para el uso en calderas no debe contener sales, para el regadío puede contener materia orgánica y nutrientes pero no metales ni oligoelementos hasta concentraciones tóxicas... Sin embargo son diversos y hasta heterogéneos los criterios de calidad establecidos en los distintos países. En España, la reutilización de aguas depuradas está regulada por el R.D. 1620/2007, de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas (http://www.emaformacion.com/cursos/22/pdf/RD_1620-07_reutilizacion_aguas.pdf). Este Real Decreto da cumplimiento a lo exigido por la Ley 11/2005, de 22 de junio, del Plan Hidrológico Nacional, la cual señala que es el Gobierno quien debe establecer las condiciones básicas para la reutilización de las aguas, precisando la calidad exigible a las aguas depuradas según los usos previstos. La potencialidad de utilizar este recurso, sobre todo en zonas costeras y de estrés hídrico, es muy elevada por el desarrollo que ha tenido en los últimos años el Plan de saneamiento y depuración. Se calcula que el volumen de agua depurada que podría reutilizarse superaría los 1.200 hectómetros cúbicos. Este RD, de acuerdo con los objetivos del Programa A.G.U.A. (Actuaciones para la Gestión y la Utilización del Agua) del Ministerio de Medio Ambiente, permite desarrollar una nueva política del agua basada en una gestión más moderna y eficiente de los recursos. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.6 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas La norma define el concepto de reutilización, introduce la denominación de aguas regeneradas, determina los requisitos necesarios para llevar a cabo la actividad de utilización de aguas regeneradas, los procedimientos para obtener la concesión exigida en la Ley e incluye disposiciones relativas a los usos admitidos y exigencias de calidad precisas en cada caso. Además, recoge los criterios de calidad mínimos obligatorios exigibles para la utilización de las aguas regeneradas según los usos. El concepto de reutilización de las aguas lo define como la aplicación, antes de su devolución al dominio público hidráulico y al marítimo terrestre para un nuevo uso privativo de las aguas que, habiendo sido utilizadas por quien las derivó, se han sometido a procesos de depuración establecidos en la correspondiente autorización de vertido y a los necesarios para alcanzar la calidad requerida en función de los usos a que se va a destinar. Las aguas depuradas las define como las aguas residuales que han sido sometidas a un proceso de tratamiento que permita adecuar su calidad a la normativa de vertidos aplicable. Las aguas regeneradas las define como las aguas residuales depuradas que, en su caso, han sido sometidas a un proceso de tratamiento adicional o complementario que permite adecuar su calidad al uso al que se destinan. Las aguas regeneradas podrán utilizarse para: • Usos urbanos o Residenciales Riego de jardines privados Descarga de aparatos sanitarios o Servicios urbanos Riego de zonas verdes urbanas (parques, campos deportivos y similares) Baldeo de calles Sistemas contra incendios Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.7 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • Lavado industrial de vehículos Usos Agrícolas o Riego de cultivos con sistema de aplicación del agua que permita el contacto directo del agua regenerada con las partes comestibles para alimentación humana en fresco o Riego de productos para consumo humano con sistema de aplicación de agua que no evita el contacto directo del agua regenerada con las partes comestibles, pero el consumo no es en fresco sino con un tratamiento industrial posterior o Riego de pastos para consumo de animales productores de leche o carne o Acuicultura o Riego localizado de cultivos leñosos que impida el contacto del agua regenerada con los frutos consumidos en la alimentación humana o Riego de cultivos de flores ornamentales, viveros, invernaderos sin contacto directo del agua regenerada con las producciones o Riego de cultivos industriales, viveros, forrajes ensilados, cereales y semillas oleaginosas • Usos Industriales o Aguas de proceso, limpieza y refrigeración, excepto en la industria alimentaria o Otros usos industriales • Usos Recreativos o Riego de campos de golf o Estanques, masas de agua y caudales circulantes ornamentales, en los que está impedido el acceso del público al agua • Usos Ambientales o Recarga de acuíferos por percolación localizada a través del terreno o Recarga de acuíferos por inyección directa o Riego de bosques, zonas verdes y de otro tipo no accesibles al público o Silvicultura o Otros usos ambientales (mantenimiento de humedales, caudales mínimos y similares) Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.8 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas En todos los casos el Organismo de cuenca solicitará a las autoridades sanitarias un informe que tendrá carácter vinculante. Se prohíbe la reutilización de aguas para los siguientes usos: • Para el consumo humano, salvo situaciones de declaración de catástrofe en las que la autoridad sanitaria especificará los niveles de calidad exigidos a dichas aguas y los usos. • Para los usos propios de la industria alimentaria, salvo para el uso de aguas de proceso y limpieza en la industria alimentaria según unos requisitos determinados. • Para uso en instalaciones hospitalarias y otros usos similares. • Para el cultivo de moluscos filtradores en acuicultura. • Para el uso recreativo como agua de baño. • Para el uso en torres de refrigeración y condensadores evaporativos, excepto lo previsto para uso industrial según unos requisitos determinados. • Para el uso en fuentes y láminas ornamentales en espacios públicos o interiores de edificios públicos. • Para cualquier otro uso que la autoridad sanitaria o ambiental considere un riesgo para la salud de las personas o un perjuicio para el medio ambiente, cualquiera que sea el momento en el que se aprecie dicho riesgo o perjuicio. En la actualidad en España existen aproximadamente 447 hm3 en concesiones de agua regenerada y se reutilizan del orden de 400 hm3 anuales, aunque con cierta variación dependiendo del año. Esta cifra supone casi el 12% de los 3.375 hm3 de aguas depuradas. De estos 447 hm3, el 75% tiene un uso agrícola, el 12% se destina a usos recreativos y campos de golf, el 6% a servicios urbanos, el 4% a usos ecológicos y recarga de acuíferos, y tan sólo se reserva para el uso industrial un 3%. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.9 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Con el objetivo de fomentar la reutilización del agua y el uso más eficiente de los recursos hidráulicos, las Administraciones Públicas estatal, autonómica o local, dentro de sus propias competencias, podrán llevar a cabo planes y programas de reutilización de aguas. En estos planes se establecerán las infraestructuras necesarias y se establecerá el sistema tarifario que corresponda aplicar en cada caso. Se incorporan al texto dos anexos. El anexo I.A recoge los criterios de calidad para la utilización de aguas regeneradas según los usos. Estos criterios tendrán la consideración de mínimos obligatorios exigibles. Además, recoge la frecuencia mínima de muestreo y análisis de cada parámetro y la evaluación de la calidad de las aguas regeneradas. El anexo II contiene el modelo normalizado de solicitud que deben presentar quienes deseen obtener la concesión o autorización de reutilización de aguas depuradas. 5.2.2.1. Criterios de calidad para la reutilización de las aguas según sus usos Los criterios de calidad especificados para cada uso son los siguientes, resumidos en la tabla aneja: Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.10 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • USOS URBANOS USO DEL AGUA PREVISTO NEMÁTODOS INTESTINALES1 VALOR MÁXIMO ADMISIBLE (VMA) SÓLIDOS EN TURBIDEZ Escherichia coli SUSPENSIÓN 2 CALIDAD 1.1.: RESIDENCIAL a) Riego de jardines privados3 b) Descarga de aparatos sanitarios3 1 huevo / 10 L 0 UFC / 100 mL 10 mg / L 2 UNT CALIDAD 1.2.: SERVICIOS a) Riego de zonas verdes urbanas (parques, campos deportivos y similares)9 b) Baldeo de calles9 c) Sistemas contra incendios9 d) Lavado industrial de vehículos9 1 huevo / 10 L 200 UFC / 100 mL 20 mg / L 10 UNT 4 5 OTROS OTROS CONTAMINANTES6 contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas7 deberá asegurarse el respeto de las NCAs8. Legionella spp. 100 UFC / L (si existe riesgo de aerosolización) 1 Considerar en todos los grupos de calidad los géneros: Anclystoma, Trichuris y Ascaris Deben someterse a controles que aseguren el correcto mantenimiento de las instalaciones 3 Su autorización estará condicionada a la obligatoriedad de la presencia doble circuito señalizado en todos sus tramos hasta el punto de uso 4 Unidades Formadoras de Colonias 5 Unidades Nefelométricas de Turbiedad 6 Ver el Anexo II del RD 849/1986, de 11 de abril 7 Ver el Anexo IV del RD 907/2007, de 6 de julio 8 Norma de calidad ambiental, ver el artículo 245.5a del RD 849/1986, de 11 de abril, modificado por el RD 606/2003 de 23 de mayo 9 Cuando exista un uso con posibilidad de aerosolización del agua, es imprescindible seguir las condiciones de uso que señale, para cada caso, la autoridad sanitaria, sin las cuales, esos usos no serán autorizados 2 Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.11 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • USOS AGRÍCOLAS USO DEL AGUA PREVISTO NEMÁTODOS INTESTINALES VALOR MÁXIMO ADMISIBLE (VMA) SÓLIDOS EN TURBIDEZ Escherichia coli SUSPENSIÓN OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. 100 UFC / 100 mL CALIDAD 2.1.1 a) Riego de cultivos con sistema de aplicación del agua que permita el contacto directo del agua regenerada con las partes comestibles para alimentación humana en fresco CALIDAD 2.2. a) Riego de productos para consumo humano con sistema de aplicación de agua que no evita el contacto directo del agua regenerada con las partes comestibles, pero el consumo no es en fresco sino con un tratamiento industrial posterior b) Riego de pastos para consumo de animales productores de leche o carne c) Acuicultura Unidad 5: Evacuación y Reutilización 1 huevo / 10 L Teniendo en cuenta un plan de muestreo a 3 clases2 con los siguientes valores: n=10 m=100 UFC/100 mL M=1000 UFC/100 mL c=3 20 mg / L 10 UNT Legionella spp. 1000 UFC / L (si existe riesgo de aerosolización) Es obligatorio llevar a cabo la detección de patógenos Presencia/Ausencia (Salmonella, etc.) cuando se repita habitualmente que c=3 para M=1000 OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. 1000 UFC / 100 mL 1 huevo / 10 L Teniendo en cuenta un plan de muestreo a 3 clases2 con los siguientes valores: n=10 m=100 UFC/100 mL M=1000 UFC/100 mL c=3 OTROS 35 mg / L No se fija límite Taenia saginata y Taenia solium: 1 huevo / L (si se riegan pastos para consumo de animales productores de carne) Es obligatorio llevar a cabo la detección de patógenos Presencia/Ausencia (Salmonella, etc.) cuando se repita habitualmente que c=3 para M=1000 5.12 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas CALIDAD 2.3. a) Riego localizado de cultivos leñosos que impida el contacto del agua OTROS CONTAMINANTES contenidos regenerada con los frutos en la autorización de vertido aguas consumidos en la alimentación residuales: se deberá limitar la entrada humana No se fija de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de b) Riego de cultivos de flores 1 huevo / 10 L 10000 UFC / 100 mL 35 mg / L límite sustancias peligrosas deberá asegurarse ornamentales, viveros, invernaderos el respeto de las NCAs. sin contacto directo del agua regenerada con las producciones Legionella spp. 100 UFC / L c) Riego de cultivos industriales, viveros, forrajes ensilados, cereales y semillas oleaginosas 1 Cuando exista un uso con posibilidad de aerosolización del agua, es imprescindible seguir las condiciones de uso que señale, para cada caso, la autoridad sanitaria, sin las cuales, esos usos no serán autorizados 2 Siendo n: nº de unidades de la muestra; m: valor límite admisible para el recuento de bacterias; M: valor máximo admisible permitido para el recuento de bacterias; c: número máximo de unidades de muestra cuyo número de bacterias se sitúa entre m y M • USOS INDUSTRIALES USO DEL AGUA PREVISTO CALIDAD 3.1. a) Aguas de proceso, limpieza y refrigeración, excepto en la industria alimentaria b) Otros usos industriales NEMÁTODOS INTESTINALES No se fija límite VALOR MÁXIMO ADMISIBLE (VMA) SÓLIDOS EN TURBIDEZ Escherichia coli SUSPENSIÓN 10000 UFC / 100 mL 35 mg / L 15 UNT OTROS OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. Legionella spp. 100 UFC / L Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.13 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 1000 UFC / 100 mL c) Aguas de proceso y limpieza para uso en la industria alimentaria CALIDAD 3.2. a) Torres de refrigeración y condensadores evaporativos Unidad 5: Evacuación y Reutilización 1 huevo / 10 L 1 huevo / 10 L Teniendo en cuenta un plan de muestreo a 3 clases con los siguientes valores: n=10 m=100 UFC/100 mL M=1000 UFC/100 mL c=3 Ausencia UFC / 100 mL 35 mg / L 5 mg / L No se fija límite 1 UNT OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. Legionella spp. 100 UFC / L (si existe riesgo de aerosolización) Es obligatorio llevar a cabo la detección de patógenos Presencia/Ausencia (Salmonella, etc.) cuando se repita habitualmente que c=3 para M=10000 Legionella spp: Ausencia UFC/L Para su autorización se requerirá: - La aprobación, por la autoridad sanitaria, del Programa específico de control de las instalaciones contemplado en el RD 865/2003, de 4 de julio, por el que se establecen los criterios higiénico-sanitarios para la prevención y control de la legionelosis - Uso exclusivamente industrial y en localizaciones que no estén ubicadas en zonas urbanas, ni cerca de lugares con actividad pública o comercial 5.14 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • USOS RECREATIVOS USO DEL AGUA PREVISTO CALIDAD 4.1. a) Riego de campos de golf NEMÁTODOS INTESTINALES 1 huevo / 10 L VALOR MÁXIMO ADMISIBLE (VMA) SÓLIDOS EN TURBIDEZ Escherichia coli SUSPENSIÓN 200 UFC / 100 mL 20 mg / L 10 UNT OTROS OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. Si el riego se aplica directamente a la zona del suelo (goteo, microaspersión) se fijan los criterios del grupo de Calidad 2.3 CALIDAD 4.2. a) Estanques, masas de agua y caudales circulantes ornamentales, en los que está impedido el acceso del público al agua No se fija límite 10000 UFC / 100 mL 35 mg / L No se fija límite Legionella spp. 100 UFC / L (si existe riesgo de aerosolización) OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. PT: 2 mg P / L (en aguas estancadas) Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.15 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas • USOS AMBIENTALES USO DEL AGUA PREVISTO CALIDAD 5.1. a) Recarga de acuíferos por percolación localizada a través del terreno CALIDAD 5.2. • Recarga de acuíferos por inyección directa CALIDAD 5.3. a) Riego de bosques, zonas verdes y de otro tipo no accesibles al público b) Silvicultura CALIDAD 5.4. a) Otros usos ambientales (mantenimiento de humedales, caudales mínimos y similares) Unidad 5: Evacuación y Reutilización NEMÁTODOS INTESTINALES VALOR MÁXIMO ADMISIBLE (VMA) SÓLIDOS EN TURBIDEZ Escherichia coli SUSPENSIÓN No se fija límite 1000 UFC / 100 mL 35 mg / L No se fija límite 1 huevo / 10 L 0 UFC / 100 mL 10 mg / L 2 UNT No se fija límite No se fija límite 35 mg / L No se fija límite OTROS NT1: 10 mg N / L NO3: 25 mg NO3 / L Art. 257 a 259 del RD 849/1986 OTROS CONTAMINANTES contenidos en la autorización de vertido aguas residuales: se deberá limitar la entrada de estos contaminantes al medio ambiente. En el caso de que se trate de sustancias peligrosas deberá asegurarse el respeto de las NCAs. La calidad mínima requerida se estudiará caso por caso 5.16 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas De acuerdo con estos parámetros indicados anteriormente, la gran mayoría de las EDAR españolas no son aptas para ser reutilizadas directamente, a pesar de tener tratamiento terciario para eliminar nutrientes. Por lo tanto es necesario realizar tratamientos complementarios para mejorar su calidad hasta su aptitud para el uso, por eso las instalaciones de reutilización suelen llamarse tratamientos terciarios avanzados. 5.2.3. TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES PARA REUSO La siguiente tabla muestra los diferentes tratamientos complementarios posibles en función de qué componente es necesario eliminar del efluente proveniente de una EDAR. Tratamientos de eliminación de elementos y componentes nocivos de aguas depuradas. Fuente: Prats (2000) COMPONENTE • Sólidos en suspensión y turbidez Microorganismos patógenos Metales pesados Compuestos de fósforo Compuestos nitrogenados Tóxicos orgánicos Sales disueltas • • • • • • • • • • • MÉTODO ELIMINACIÓN Filtración convencional en medio poroso Microfiltración Desinfección por UV, MF, UF, HF, Cl, ozono o lagunaje Precipitación química Precipitación química Eliminación biológica Eliminación biológica Adsorción Ultrafiltración Ósmosis inversa Electrodiálisis Intercambio iónico La calidad del agua residual bruta es determinante para diseñar el proceso de tratamiento, que será más complejo y costoso cuanto más contaminantes haya que eliminar. Lo que sí parece claro es que es necesario eliminar la propia salinidad provocada por el consumo doméstico, haciendo que su contenido en sales aumente entre 150 y 400 mg/l. En cada caso hay que realizar un estudio específico en el que, a partir de las necesidades de reutilización de la zona, se tenga en cuenta la calidad del efluente de la depuradora, se definan los tratamientos complementarios y las Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.17 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas modificaciones necesarias en el proceso de depuración. En este estudio deben incluirse los beneficios y costes asociados a cada uno de los nuevos usos para verificar la viabilidad económica y medioambiental de la reutilización frente a otras fuentes de aprovisionamiento. 5.2.3.1. Desalación de aguas provenientes de una EDAR La desalación de aguas provenientes de una estación depuradora de aguas residuales es una técnica necesaria en la reutilización de aguas depuradas. Además de la desalación, dichas instalaciones llevan consigo un pretratamiento necesario para la operación de las membranas para OI o ED, que a la vez permiten la eliminación de componentes nocivos inmersos en las aguas residuales (ver tabla anterior). 5.2.3.1.1. Desalación por ósmosis inversa La ósmosis inversa al ser una técnica de hiperfiltración donde el agua pasa a través de la membrana, exige que los niveles de sólidos en suspensión y materia viva (materias, algas, etc.) sean lo más pequeños posibles al objeto de evitar un rápido ensuciamiento de la membrana. En la práctica no suelen permitir índices de atascamiento SDI15 mayores a 3, y una turbidez menor que 0.2 NTU. Las membranas más usadas para esta aplicación eran hasta hace poco tiempo las de acetato de celulosa, debido a su capacidad para trabajar con cloro continuo, pero deben trabajar en medio ácido para evitar su hidrólisis. En los últimos años se ha pasado a utilizar membranas de poliamida aromática que tienen como ventaja sobre las de acetato de celulosa, una menor presión de operación, una mejor calidad de producto y la no necesidad de mantener un pH determinado. 5.2.3.1.2. Electrodiálisis reversible Su recuperación suele ser superior al de las membranas de OI (en torno a 8090%), pero tiene la desventaja de remover sólo las partículas cargadas eléctricamente. Como posee una autolimpieza cíclica por el cambio de polaridad, generalmente cuatro veces por hora, posee unas exigencias menores de calidad en Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.18 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas el efluente, permitiendo un índice de atascamiento SDI15 altos y turbideces menores que 5 NTU. Se intuye claramente que las necesidades de pretratamiento son menores que en el caso de usar OI para el mismo tratamiento. 5.2.3.1.3. Pretratamientos necesarios para la desalación de ARU Hay varios pretratamientos si desalamos ARU. Como anteriormente se comentó algunos de ellos tienen efectos depuradores además de proteger a las membranas desaladoras. Por ejemplo los siguientes: • Filtración granular: Etapa de filtrado para el caso de utilización de EDR, que usa filtros monocapa y multicapa de antracita. • Clarificación-filtración: También es sólo necesario en el caso del uso de la EDR, ya que como hemos dicho anteriormente este tipo de elementos no los puede eliminar y además ensucian las membranas. • Clarificación con cal-filtración: Puede usarse para ambos procesos desaladores, pero su coste suele ser muy alto a pesar de la calidad obtenida. • Filtración: Se usa para reducir la turbidez en el caso de utilizar la OI como proceso desalador. • Microfiltración (MF): Se integran en la instalación para evitar los grandes problemas de ensuciamiento de las membranas posteriores. Su mayor diferencia con respecto a las membranas de OI normales para desalación es su capacidad filtrante (por tanto mucho más susceptibles de ensuciamiento también). La microfiltración realiza una separación de partículas de hasta 0.1 micra (las membranas de OI tienen una selectividad menor de 0.04 micras y las de ED es de 0.03 micras) y están construidas de fibra hueca de mayor diámetro que las tradicionales, y trabaja de forma discontinua. El pequeño tamaño de los poros de estas membranas les permite además la retención de bacterias y parte de los virus. • Ultrafiltración (UF): Es muy parecido al anterior, pero en este caso también existen membranas de arrollamiento en espiral. La selectividad de Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.19 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas este tipo de membranas es mucho mayor que la MF, llegando a las 0.01 micras. Su poder de limpieza frente a virus y bacterias es ya muy considerable, reteniendo un porcentaje elevadísimo de todos ellos. • Nanofiltración (NF): Su selectividad es aún mayor, en el rango de 0.01 a 0.001 micras. Como el tamaño mayor de los virus conocidos es mayor de 0.003 micras, el proceso de nanofiltración elimina todos agentes patógenos conocidos. A modo de resumen se incluye en las siguientes tablas el tamaño medio de diversos componentes constituyentes de un agua residual y la capacidad selectiva de algunos métodos y procesos utilizados en depuración de aguas residuales. Tamaño de componentes existentes en el agua. Fuente: Medina (2000) COMPONENTE Algas Arenas Limos Arcillas Polen Bacterias Virus Sales disueltas Iones metálicos Selectividad de DIMENSIONES (micras) 1-700 100-2000 20-100 0,1-10 20-60 0,7-80 0,003-0,03 0,0008-0,004 < 0,0006 diferentes procesos de TAMAÑO Partícula Partícula Partícula Partícula Partícula Macromolécula Molécula Ion Ion separación comentados anteriormente. Fuente: Medina (2000) PROCESO Filtración multicapa Filtración cartuchos Filtración sobre precapa Microfiltración Ultrafiltración Nanofiltración Ósmosis inversa Electrodiálisis GRADO SEPARACIÓN (micras) > 100 >1 > 0,5 > 0,1 > 0,01 0,001-0,01 > 0,04 > 0,03 Debe resaltarse que muchos de los pretratamientos antes descritos pueden funcionar de manera aislada como único tratamiento en el caso de que no sea necesario reducir la salinidad residual de salida de un efluente de una EDAR. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.20 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas 5.2.3.2. Otros tratamientos También pueden destacarse otros tratamientos que no se han incluido como pretratamientos de las instalaciones de reutilización de aguas residuales por desalación (Martínez, 2000). Entre ellos cabe destacar dos tratamientos: • Físico-químicos: Inclusión de coagulantes, polielectrolitos para favorecer la floculación y depósitos de decantación lamelar. También hipoclorito sódico para desinfección convencional. • Rayos ultravioleta: La desinfección por lámparas de rayos ultravioleta (UV) puede ser una alternativa perfectamente comparable a la de desinfección por hipoclorito sódico. Se detecta una disminución clara de su efectividad con el grado de turbidez y sólidos suspendidos. 5.2.4. EFECTOS DEL PROBLEMA DEL AGUA EN LA AGRICULTURA Cuando se usa agua de elevada salinidad para el riego de los cultivos, la acumulación de sales en los horizontes de cultivo aumenta proporcionalmente, máxime cuando existe una elevada evapotranspiración. Como consecuencia del aumento de sales en el terreno, la producción de los cultivos disminuye apreciablemente. Desde un punto de vista fitotécnico, la concentración admisible de sales en el terreno debe establecerse como aquella concentración que motiva descensos económicamente aceptables en los cultivos. Alcanzar concentraciones menores a la deseable requeriría un mayor consumo de agua al objeto de efectuar un lavado del terreno para obligar a las sales solubles a atravesar los horizontes de cultivo y descender a horizontes del suelo más bajos que los ocupados por las raíces de las plantas. Por otro lado, altas concentraciones provocarían un descenso excesivo en los niveles de producción, lo que conllevaría una pérdida de rentabilidad para el agricultor. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.21 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Un parámetro muy útil a la hora de determinar la concentración de sales en el terreno es la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo, que es tanto mayor cuanto mayor es la concentración de sales. La siguiente tabla da los valores de la conductividad eléctrica del extracto de saturación para descensos de rendimiento en los cultivos del 10, 25, 50 y 100%. La columna de la derecha da el máximo valor de la conductividad del extracto seco que puede soportar el cultivo, ya que a ese valor cesa completamente el desarrollo del mismo. Conductividad térmica máxima del extracto de saturación para descensos de rendimiento del 10, 25, 50 y 100% CULTIVO 0% 10% 25% 50% 100% Palmera 4 6.8 11 18 32 Trigo 6 7.4 9.5 13 20 Higuera 2.7 3.8 5.5 8.4 14 Melón 2.2 3.6 5.7 9.1 16 Tomate 2.5 3.5 5 7.6 13 Vid 1.5 2.5 4.1 6.7 12 Pepino 2.5 3.3 4.4 6.3 10 Lechuga 1.3 2.1 3.2 5.1 9 Rábano 1.2 2 3.1 5 8.9 Pomelo 1.8 2.4 3.4 4.9 8 Naranjo 1.7 2.4 3.3 4.8 8 Limonero 1.7 2.3 3.3 4.8 8 Pimiento 1.5 2.2 3.3 5.1 8.6 Almendro 1.5 2 2.8 4.1 6.8 Judía 1 1.5 2.3 3.6 6.3 Fresa 1 1.3 1.8 2.5 4 En la tabla se ve que muchos de los cultivos tradicionales son poco tolerantes a la salinidad, lo que agrava aún más el problema y obligará a la búsqueda de cultivos alternativos que sean capaces de soportar una mayor salinidad, a menos Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.22 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas que sepamos resolver este problema de una forma eficaz y rentable para los agricultores. Las siguientes figuras corresponden a la representación gráfica de los valores dados en la tabla anterior. Se ve en estas figuras cómo la relación entre el descenso de rendimientos y el aumento de la salinidad es fuertemente lineal. Porcentajes de rendimientos obtenidos en cultivos hortícolas en función de la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo Porcentajes de rendimientos obtenidos en cultivos frutales en función de la conductividad eléctrica del extracto de saturación del suelo Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.23 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Las figuras muestran que muchos de los cultivos que son tradicionales (pimiento, naranjo, pomelo, fresa, etc.) se verán en grave peligro si no se detiene la creciente salinización del terreno, para lo cual resulta un factor clave el disponer de agua de calidad para el riego. Todo lo visto hasta ahora sirve para poner de manifiesto que si no se dispone de suficiente agua de calidad, la agricultura irá perdiendo paulatinamente rentabilidad y se verá obligada a un basculamiento hacia aquellos cultivos que son más resistentes a la salinidad, perdiéndose la actual variedad de cultivos y llegando a una saturación del mercado en aquellos cultivos que sean más resistentes. Todo esto actuará como un factor limitativo importante para el desarrollo del sector agrícola y de la economía. Por consiguiente, es necesario tratar de encontrar soluciones eficaces al problema, siendo la desalación una posible vía para satisfacer la demanda de agua de calidad dentro del sector agrícola. 5.3. PLAN NACIONAL DE CALIDAD DE LAS AGUAS: SANEAMIENTO Y DEPURACIÓN 2007-2015 La Directiva 91/271/CEE del Consejo de 21 de mayo de 1991, sobre tratamiento de aguas residuales urbanas, modificada por la Directiva 95/15/CE de la Comisión, de 27 de febrero de 1998, establece como objetivo la protección del medio ambiente contra el deterioro provocado por los vertidos de aguas residuales urbanas procedentes de aglomeraciones y de las aguas residuales biodegradables procedentes de la industria agroalimentaria. Esta directiva obligaba, además de a su transposición al ordenamiento jurídico de cada Estado miembro, a recoger las aguas residuales mediante un sistemas colectores, a determinar zonas sensibles y menos sensibles y a elaborar un programa de aplicación. En España este programa se tradujo en el Plan Nacional de Saneamiento y Depuración de Aguas Residuales (1995-2005) aprobado mediante Resolución de 28 de abril de 1995. Dicha Directiva establece como objetivo final la obligatoriedad de tratar con un tipo de tratamiento determinado, antes de 2005, todos los vertidos de las aguas Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.24 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas residuales urbanas procedentes de aglomeraciones cuya carga contaminante sea superior a 2.000 habitantes equivalentes (h-e) si vierten a aguas continentales y estuarios y 10.000 h-e si vierten a aguas costeras. Además, establecía una serie de objetivos intermedios hasta alcanzar este objetivo final. De entre las definiciones que contempla la Directiva, se pueden destacar las siguientes: • Por habitante equivalente (h-e) se entiende la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de de oxígeno de 5 días (DBO5) de 60 gramos de oxígeno por día. • Por aglomeración urbana se entiende la zona cuya población y/o actividades económicas presenten concentración suficiente para la recogida y conducción dé las aguas residuales urbanas a una instalación de tratamiento de dichas aguas o a un punto de vertido final. • Por aguas residuales urbanas se entiende las aguas residuales domésticas o la mezcla de las mismas con aguas residuales industriales y/o aguas de correntía pluvial. La carga contaminante, o población equivalente a depurar en las aglomeraciones urbanas viene determinada por: • la población de hecho, • la población estacional (que genera un incremento de los caudales y de la carga contaminante a tratar en zonas con elevado componente turístico, principalmente costeras) • y la contaminación de origen industrial conectada al saneamiento urbano. La evolución del grado de conformidad desde el año 1995 hasta el 31 de diciembre de 2005 fue muy positiva ya que se pasó de un 41% a un 77%. Hay que hacer constar que no hay ningún otro país europeo que haya realizado un esfuerzo semejante. A fecha 31 de diciembre de 2005 existían en España 2.356 aglomeraciones urbanas de más de 2.000 h-e en aguas continentales y estuarios y Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.25 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas de más de 10.000 h-e en aguas costeras, que totalizaban una carga de 73.265.728 habitantes equivalentes. En junio de 2007 se aprobó el Plan Nacional de Calidad de las Aguas: Saneamiento y Depuración 2007-2015 (http://www.ema- formacion.com/cursos/22/pdf/PlanNacionalCalidadAguas_07-15.pdf), que da respuesta tanto a los objetivos no alcanzados por el anterior Plan, como a las nuevas necesidades planteadas por la DMA y por el programa AGUA. Entre sus objetivos está acometer las obras que no se ejecutaron en el plan anterior, así como emprender nuevas actuaciones consecuencia de los nuevos requerimientos planteados por la Directiva Marco de Agua. La inversión total prevista del Plan es de 19.007 millones de euros (casi 19.400 millones de euros si se incluyen las inversiones en I+D+i) y para el desarrollo del Plan se establecerán convenios bilaterales con cada una de las Comunidades Autónomas, que concretarán los programas de actuación y los compromisos de las partes, para garantizar el futuro funcionamiento de las infraestructuras y su correcta gestión. Para ello, es necesario que existan los correspondientes instrumentos financieros, para sufragar no sólo las inversiones en obras de ampliación o reposición, sino también la gestión, explotación y mantenimiento de las instalaciones de saneamiento y depuración. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.26 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas Las principales actuaciones a contemplar en el nuevo Plan pueden agruparse en: • Actuaciones que no se llegaron a ejecutar en el Plan anterior (de interés general y a cargo de las propias Comunidades Autónomas). • Actuaciones en Aglomeraciones Urbanas por las declaraciones de zonas sensibles inter e intracomunitarias. • Actuaciones para garantizar el cumplimiento de los objetivos ambientales de la Directiva Marco del Agua, algunas de las cuales afectarán a Aglomeraciones Urbanas menores de 2.000 h-e que deberán disponer de un tratamiento adecuado. • Actuaciones para cubrir necesidades futuras (remodelaciones de depuradoras actualmente conformes, tanques de tormenta (unos 3.114 millones de euros), etc.). • Actuaciones de saneamiento (no incluyendo depuración). • Actuaciones encaminadas a fomentar la I+D+i en el campo del saneamiento y la depuración. El Plan Nacional de Calidad de las Aguas tiene como ejes principales el cumplimiento de ambas Directivas. Los logros alcanzados por el Plan Nacional de Saneamiento y Depuración (1995-2005) ya justifican la coordinación estatal, máxime cuando las Comunidades y Ciudades Autónomas están de acuerdo en que el Estado ejerza esa coordinación. Por ello puede considerarse al Plan Nacional de Calidad de las Aguas como un instrumento de apoyo a los esfuerzos que están realizando las Comunidades y Ciudades Autónomas para garantizar la conformidad de sus infraestructuras de saneamiento y depuración, pero sin olvidar que esta estrategia está enmarcada en una más global como es la contribución a alcanzar los objetivos ambientales de la Directiva Marco del Agua en el año 2015. Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.27 Master en Gestión, Tratamiento y Depuración de Aguas INVERSIONES DEL PLAN NACIONAL DE CALIDAD DE LAS AGUAS * Cifra aprobada en el Consejo de Ministros de 8 de junio de 2007, incluye la inversión en i+D Unidad 5: Evacuación y Reutilización 5.28
