sistemas de tratamiento de aguas

SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS
Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humano
han traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales con sustancias
químicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características estéticas.
Para hacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de
operaciones o procesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser
consumida por los seres humanos.
Una operación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las
sustancias objetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias
inocuas.
La mayor parte de los procesos originan cambios en la concentración o en el estado de
una sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenómeno
recibe el nombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción de oxígeno
al agua (transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de anhídrido
carbónico contenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa) mediante el
proceso de aereación
El objetivo de estos tratamientos es, en general, reducir la carga de contaminantes del
vertido y convertirlo en inocuo para el medio ambiente. Para cumplir estos fines se usan
distintos tipos de tratamiento dependiendo de los contaminantes que arrastre el agua y de
otros factores más generales, como localización de la planta depuradora, clima,
ecosistemas afectados, etc .
La Depuración de las Aguas Residuales
Existen distintos tipos de tratamiento de las aguas residuales para lograr remover
los contaminantes. Se pueden usar desde sencillos procesos físicos como la
sedimentación, en la que se deja que los contaminantes se depositen en el fondo
por gravedad, hasta complicados procesos químicos, biológicos o térmicos. Ellos se
pueden clasificar según el medio de eliminación de los contaminantes, según la
fase de depuración y según el costo de la explotación.
Según el Medio de Eliminación de los Contaminantes
Físicos
Químicos
Clasificación de los sistemas de
tratamiento
Biológicos
A.) Físicos: Son aquellos en los cuales predomina la aplicación de fuerzas físicas, en la
eliminación de los contaminantes.
Desbaste (por rejas, tamices)
Desengrasado
Sedimentación.
Flotación.- Natural o provocada con aire.
Filtración.- Con arena, carbón, cerámicas, etc.
Evaporación.
Adsorción.- Con carbón activo, zeolitas, etc.
Desorción (Stripping). Se transfiere el contaminante al aire (ej. amoniaco).
Extracción.- Con líquido disolvente que no se mezcla con el agua.
B.) Químicos: Son aquellos en los cuales la eliminación de los contaminantes es dada por
la adición de un producto químico o por otras reacciones químicas.
Coagulación-floculación.- Agregación de pequeñas partículas usando coagulantes y
floculantes (sales de hierro, aluminio, polielectrolitos, etc.)
Precipitación química.- Eliminación de metales pesados haciéndolos insolubles con
la adición de lechada de cal, hidróxido sódico u otros que suben el pH.
Oxidación-reducción.- Con oxidantes como el peróxido de hidrógeno, ozono, cloro,
permanganato potásico o reductores como el sulfito sódico.
Reducción
electrolítica.-
Provocando
la
deposición
en
el
electrodo
del
contaminante. Se usa para recuperar elementos valiosos.
Intercambio iónico.- Con resinas que intercambian iones. Se usa para quitar dureza
al agua.
Osmosis inversa.- Haciendo pasar al agua a través de membranas semipermeables
que retienen los contaminantes disueltos.
C.) Biológicos: Son los métodos de tratamiento en los cuales la eliminación de
contaminantes es provocada por una actividad biológica.
Lodos activos.- Se añade agua con microorganismos a las aguas residuales en
condiciones aerobias (burbujeo de aire o agitación de las aguas).
Filtros bacterianos.- Los microorganismos están fijos en un soporte sobre el que
fluyen las aguas a depurar. Se introduce oxígeno suficiente para asegurar que el
proceso es aerobio.
Biodiscos.- Intermedio entre los dos anteriores. Grandes discos dentro de una mezcla
de agua residual con microorganismos facilitan la fijación y el trabajo de los
microorganismos.
Lagunas aireadas.- Se realiza el proceso biológico en lagunas de grandes
extensiones.
Sistemas de aplicación al suelo. Degradación anaerobia.- Procesos con microorganismos que no necesitan oxígeno
para su metabolismo.
SEGÚN LA FASE DE DEPURACIÓN
Las aguas residuales se pueden someter a diferentes niveles de tratamiento, dependiendo
del grado de purificación que se quiera. Es tradicional hablar de tratamiento primario,
secundario, etc, aunque muchas veces la separación entre ellos no es totalmente clara. Así
se pueden distinguir:
A.) Tratamiento preliminar.
El
tratamiento
preliminar
está
destinado
a
preparar las aguas residuales para que puedan
recibir un tratamiento posterior evitando que se
presenten obstrucción de tuberías, presencia de
sólidos flotantes, fluctuación de caudal, etc.
Las unidades de tratamiento preliminar más
utilizadas son las rejas, los desmenuzadores, los desengrasadores, los tanques de
compensación y los desarenadores. De éstas, las más utilizadas son las rejas y en algunos
casos de acuerdo a las características del agua, los desarenadores. Las demás unidades
son más frecuentes para líquidos industriales.
Las rejas son dispositivos constituidos por barras metálicas paralelas e igualmente
espaciadas, la más utilizada es la reja sencilla de limpieza manual con espaciamiento libre
entre barras de 2 hasta 4 cm.
Los desarenadores son unidades destinadas a retener arena y otros minerales inertes y
pesados como carbón, tierra, arena con diámetros mínimos de 0.2 mm, los tanques
pueden tener un ancho de 20 a 100 cm y una longitud variable de 6 a 18 metros.
Tabla 1. Comparación de las diferentes tecnologías utilizadas en el tratamiento
preliminar
Fuente: Min Ambiente. Colombia. 2002
B.) Tratamiento Primario.
El tratamiento primario es el proceso de tratamiento del agua residual consistente en la
eliminación de los sólidos suspendidos contenidos en ellas por cualquier método.
Tabla 2. Comparación de las diferentes tecnologías utilizadas en el tratamiento
primario
Fuente: Min. Ambiente. Colombia. 2002
C.) Tratamiento Secundario.
Consiste en tratar el agua con el fin de transformar los compuestos que están en forma de
sólidos disueltos y coloidales en compuestos estables, por medio de tratamientos físicoquímicos como la coagulación (consiste en la desestabilización de los coloides, utilizando
como coagulantes sales de hierro o aluminio, sulfato de aluminio y cloruro férrico),
floculación (consiste en la aglomeración de los coloides y para ello se utilizan sílice
activada y polímeros orgánicos), decantación, flotación, filtración, separación por
membranas, adsorción e intercambio de iones, tratamientos químicos (precipitación,
neutralización y óxido-reducción) y tratamientos biológicos (lodos activados, filtros
percoladores, tanques Imhoff, lagunas de oxidación, biodiscos, zanjas de oxidación, filtros
de arena, zanjas filtrantes).
Tabla 3. Comparación de las diferentes tecnologías utilizadas en el tratamiento
secundario
D.) Tratamiento terciario.
Fuente: Min. Medio ambiente 2002
Es el último paso del tratamiento del agua residual con el fín de pulir el efluente del
tratamiento secundario, eliminando elementos como el N, P, K, Ca y otros.
D.) Tratamiento terciario.
Es el último paso del tratamiento del agua residual
con el fín de pulir el efluente del tratamiento
secundario, eliminando elementos como el N, P, K,
Ca y otros.
SEGÚN EL COSTO DE LA EXPLOTACIÓN
Los sistemas de tratamiento se pueden clasificar en:
A.) Tecnologías de bajo costo. Métodos blandos.
La base de estos sistemas es la reproducción de los fenómenos de depuración naturales
con vistas a una mayor facilidad de manejo y por lo tanto a lograr unos menores costos de
mantenimiento.
Sus características están basadas en:
Facilidad de operación y mantenimiento.
No necesidad de personal especializado.
Grandes tiempos de respuesta.
Uso de equipamento sencillo.
Bajo costos energéticos.
Buena integración en el medio rural.
Rendimientos buenos – aceptables.
Muy aptos en reutilización agrícola.
B.) Métodos convencionales
Son los métodos tradicionales de depuración
cuya base de funcionamiento son también los
procesos naturales de depuración pero bajo una
concepción distinta.
Sus características están basadas en:
Sistemas intensivos.
Necesidad de control preciso.
Mano de obra especializada.
Altos costos de explotación.
Baja integración al medio rural.
Buenos resultados en depuración.
Poco flexibles a cambios en condiciones de partida.
Un sistema convencional de depuración de aguas residuales consta de las
siguientes operaciones:
Llegada del efluente: canal de llegada y recogida de las aguas residuales a la
estación depuradora.
Pretratamiento: consiste en una sucesión de etapas físicas y mecánicas
destinadas a separar las aguas de las materias voluminosas en suspensión;
después de esta fase sólo permanecen las partículas con un diámetro inferior a
200 mm. También tiene lugar la separación de grasas.
Decantación primaria: Puede ser por decantación simple o bien por
tratamiento fisicoquímico. Afecta a las partículas de diámetro superior a 100
mm. Las materias decantadas obtenidas por separación del efluente
constituyen los lodos primarios. También se lleva a cabo la eliminación de la
polución coloidal y del fósforo.
Tratamiento biológico: Consiste básicamente en una degradación de los
compuestos orgánicos presentes en el efluente por microorganismos que se
alimentan de la contaminación orgánica disuelta (lodos activados). Dispositivos
de aireación permiten a las bacterias aerobias utilizadas incrementar su
metabolismo y, en consecuencia, su acción.
Decantación secundaria: Una nueva etapa de decantación permite la
separación de los lodos secundarios formados antes de obtener el agua
depurada (filtrada y posteriormente desinfectada).
Tratamiento de lodos: El tratamiento de lodos es una instalación
fundamental de la estación depuradora. Su objetivo es reducir la masa orgánica
y el volumen de los lodos primarios y secundarios recogidos tras las dos etapas
de decantación. Comprende dos fases: en primer lugar se procede a reducir la
masa orgánica mediante estabilización por digestión aerobia o anaerobia,
pasteurización y estabilización química; a continuación se reduce el volumen de
los lodos: por prensado, por deshidratación, por secado térmico o por
incineración.
Tabla 4. Eficiencia de la remoción de contaminantes en las diferentes unidades
de tratamiento
(1) Desp. = despreciable
Fuente: Min. Ambiente 2002
Principales Operaciones Unitarias Empleadas en el Tratamiento del Agua
Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para
consumo humano son los siguientes:
Transferencia de sólidos.
Transferencia de iones.
Transferencia de gases.
Transferencia molecular.
TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS
Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y
filtración.
Cribado o cernido
Consiste en hacer pasar el agua a través de
rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos
de tamaño mayor a la separación de las
barras, como ramas, palos y toda clase de
residuos sólidos. También está considerado en
esta clasificación el microcernido, que consiste
básicamente en triturar las algas reduciendo
su tamaño para que puedan ser removidas
mediante sedimentación.
Sedimentación
Consiste en promover condiciones de reposo en
el agua, para remover, mediante la fuerza
gravitacional, las partículas en suspensión más
densas.
Este
proceso
desarenadores,
sedimentadores
se
realiza
en
los
presedimentadores,
y
decantadores;
en
estos
últimos, con el auxilio de la coagulación.
Flotación
El
objetivo
de
este
proceso
es
promover
condiciones de reposo, para que los sólidos cuya
densidad es menor que la del agua asciendan a la
superficie de la unidad de donde son retirados por
desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso,
se emplean agentes de flotación. Mediante este
proceso
se
remueven
especialmente
grasas,
aceites, turbiedad y color. Los agentes de
flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire.
Filtración
Consiste en hacer pasar el agua a través de un
medio poroso, normalmente de arena, en el cual
actúan una serie de mecanismos de remoción
cuya eficiencia depende de las características de la
suspensión (agua más partículas) y del medio poroso.
Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son muy claras o como
proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias.
Los medios porosos utilizados además de la arena —que es el más común — son
la antracita, el granate, la magnetita, el carbón activado, la cáscara de arroz, la
cáscara de coco quemada y molida y también el pelo de coco en el caso de los
filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar exclusivamente arena;
no es recomendable el uso de materiales putrescibles.
TRANSFERENCIA DE IONES
La transferencia de iones se efectúa mediante procesos de coagulación, precipitación
química, absorción e intercambio iónico.
Coagulación química
La coagulación química consiste en adicionar al
agua una sustancia que tiene propiedades
coagulantes, la cual transfiere sus iones a la
sustancia que se desea remover, lo que
neutraliza la carga eléctrica de los coloides para
favorecer la formación de flóculos de mayor
tamaño y peso.
Los coagulantes más efectivos son las sales trivalentes de aluminio y hierro. Las
condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este
proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color.
Precipitación química
La precipitación química consiste en adicionar al
agua una sustancia química soluble cuyos iones
reaccionan con los de la sustancia que se desea
remover, formando un precipitado. Tal es el
caso de la remoción de hierro y de dureza
carbonatada
(ablandamiento),
mediante
la
adición de cal.
Intercambio iónico
Como su nombre lo indica, este proceso consiste en
un intercambio de iones entre la sustancia que
desea remover y un medio sólido a través del cual
se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del
ablandamiento del agua mediante resinas, en el
cual se realiza un intercambio de iones de cal y
magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso constituido por
zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de calcio y magnesio, se regenera
introduciéndola en un recipiente con una solución saturada de sal.
Absorción
La absorción consiste en la remoción de iones y
moléculas
presentes
en
la
solución,
concentrándolos en la superficie de un medio
adsorbente, mediante la acción de las fuerzas de
interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de
olores y sabores, mediante la aplicación de carbón activado en polvo.
TRANSFERENCIA DE GASES
Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua
mediante procesos de aereación, desinfección y recarbonatación.
Aereación
La aereación se efectúa mediante caídas de agua
en
escaleras,
cascadas,
chorros
y
también
aplicando el gas a la masa de agua mediante
aspersión o burbujeo. Se usa en la remoción de
hierro y manganeso, así como también de
anhídrido carbónico, ácido sulfhídrico y sustancias
volátiles, para controlar la corrosión y olores.
Desinfección
Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro
y ozono al agua tratada.
Recarbonatación
Consiste en la aplicación de anhídrido carbónico para bajar el pH del agua, normalmente
después del ablandamiento.
TRANSFERENCIA MOLECULAR
En el proceso de purificación natural del agua. Las bacterias saprofitas degradan la
materia orgánica y transforman sustancias complejas en material celular vivo o en
sustancias más simples y estables, incluidos los gases de descomposición. También los
organismos fotosintéticos convierten sustancias inorgánicas simples en material celular,
utilizando la luz solar y el anhídrido carbónico producto de la actividad de las bacterias y, a
la vez, generan el oxígeno necesario para la supervivencia de los microorganismos
aeróbicos presentes en el agua.
Este tipo de transferencia se lleva a cabo en la filtración, en la cual los mecanismos de
remoción más eficientes se deben a la actividad de los microorganismos.
OTROS PROCESOS UTILIZADOS
Además de los procesos de transferencia expuestos, también se utilizan en el tratamiento
del agua para consumo humano la estabilización de solutos, la desalinización y la
fluoruración.
Estabilización de solutos
La estabilización de solutos consiste en transformar un soluto objetable en una forma
inocua, sin llegar a su remoción. Son ejemplos de este proceso la transformación del
anhídrido carbónico contenido en el agua en bicarbonato soluble mediante la adición de
cal o el pasar el agua a través de lechos de mármol. También se puede citar la
transformación de ácido sulfhídrico en sulfato.
Desalinización
Proceso mediante el cual se remueve el exceso de cloruros en el agua, transformando las
aguas salobres en dulces. Este proceso se puede realizar mediante destilación, ósmosis
inversa, etcétera.
Fluoruración
Adición de fluoruros al agua para evitar las caries dentales, principalmente en los niños
menores de 5 años.
Tratamiento Biológico en la Depuración de las Aguas Residuales
El agua es indispensable para la vida en la tierra y también lo es para el desarrollo
industrial y agrícola de las sociedades humanas. Desde que el hombre existe ha procurado
aumentar sus recursos de agua y se ha preocupado por hacer inofensivas para la salud las
aguas usadas. El tratamiento de estas se hacía en forma natural utilizando la capacidad de
autodepuración de los cursos de agua o del suelo.
La autodepuración consiste en fenómenos físico-químicos y biológicos. Todos los sistemas
actuales de depuración del agua, incluso los más perfeccionados, no son más que la
transposición y la intensificación de esta doble acción depuradora de la que la naturaleza
nos ofrece el modelo.
La depuración biológica de las aguas residuales se basa en la capacidad de los
microorganismos, que viven en el agua, de alimentarse de los compuestos orgánicos más
variados, componentes principales de la contaminación del agua. Gracias a los progresos
de la biotecnología ya se empiezan a desarrollar sistemas de depuración confiables y
económicos. Incluso se llega a biodegradar compuestos minerales como los fosfatos de los
detergentes y los nitratos de los fertilizantes o incluso aprovechar algunos contaminantes
utilizando microorganismos que los transforman en productos útiles para el hombre.
Los progresos recientes en los conocimientos de la bioquímica bacteriana han
logrado modificar enormemente las técnicas de depuración y han permitido
emplear microorganismos anaeróbicos, los cuales se han utilizado con éxito
durante los últimos años en su aplicación a residuos, debido a sus ventajas
respecto al tratamiento aeróbico tanto en economía y facilidad de aplicación como
por la obtención de un producto de gran valor energético como el metano
Estos
sistemas
son cada
vez
más
utilizados
para
tratar
los
efluentes
biodegradables en más del 90%, pero muy concentrados, procedentes de la
agroindustria.
En
el
tratamiento
anaeróbico
de
estas
aguas
intervienen
muchos
tipos
de
microorganismos, a diferencia de la mayoría de biotecnologías, esto no debe sorprender
puesto que las materias primas utilizadas en el proceso son, de ordinario, mezclas
complejas de materiales y es improbable que una sola especie pueda degradar toda la
gama de compuestos distintos. De modo que en estos sistemas se presenta una compleja
interacción entre muchos tipos de microorganismos en la que cada uno desempeña un
importante papel.
La investigación y el desarrollo de sistemas biológicos para el tratamiento y/o
aprovechamiento de residuos orgánicos resulta importante para nuestro país, dada la
necesidad de conservar el medio ambiente, el cual se constituye en un patrimonio común
y por la conveniencia de detener la creciente degradación ambiental de las zonas rurales
cafeteras, originada por la contaminación de los cursos superficiales de agua, a raíz de la
disposición inadecuada de las aguas negras y las aguas residuales del proceso de
beneficio húmedo del café.
El proceso aerobio para la depuración de aguas residuales
En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el aporte de
oxígeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación sumergida
simultáneas.
El
crecimiento
de
los
microorganismos
y
su
actividad
degradativa
crecen
proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicas
acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo
de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con
una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de unos mm
dividiéndose o hundiéndose después.
La formación de flóculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y
también por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con
otras. El 40 – 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa
bacteriana y el 50 – 60% de las mismas se degrada.
La acción degradativa o depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el
porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminución
depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos y de la carga de
contaminantes de las aguas residuales y se expresa asi mismo en unidades de DBO.
El número de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millones por
ml, entre ellas aparece regularmente la bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera, que
forma grandes colonias con numerosas células encerradas en una gruesa cubierta
mucilaginosa común, las células individuales libres se mueven con ayuda de flagelos
polares.
Entre las bacterias de los flóculos predominan las representantes de géneros con
metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcaligenes, Arthrobacter,
Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium. Pero también se
presentan bacterias anaerobias facultativas, que son fermentativas en ausencia de
sustratos oxigenados, de los géneros Aeromonas, Enterobacter, Escherichia, Streptococcus
y distintas especies de Bacillus. Todas las bacterias contribuyen con las cápsulas de
mucílago y con las microfibrillas al crecimiento colonial y a la formación de los flóculos.
En las aguas residuales con una composición heterogénea, la microflora se reparte
equitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la selección de bacterias y en la
circulación y formación de flóculos juegan un importante papel los numerosos protozoos
existentes, la mayoría de ellos ciliados coloniales y pedunculados de los géneros Vorticela,
Epystilis y Carchesium, aunque también puedan nadar libremente como los Colpidium que
aparecen a la par de ellos, alimentándose de las bacterias de vida libre que se encuentran
tanto sobre la superficie como fuera de las colonias. Su función es esencial en la
consecución de unas aguas claras y bien depuradas.
La salida de los fangos activados sintéticos libres de ciliados se ve contaminada y
enturbiada por la presencia de bacterias aisladas. Se realiza una inoculación de ciliados
que crecen rápidamente, favoreciendo con su actividad depredadora el crecimiento y la
circulación de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan un efluente mas limpio.
Además en los fangos activados aparecen regularmente hongos edáficos y levaduras,
siendo las más frecuentes las especies de Geotrichum, Trichosporum, Penicillium,
Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium.
Tras la depuración biológica, las aguas residuales contienen compuestos orgánicos,
fosfatos y nitratos disueltos que sólo se degradarán ya lentamente. Los nitratos se forman
por oxidación del amonio desprendido en la degradación de compuestos orgánicos
nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias nitrificantes, uno de cuyos grupos está
reprensado en las aguas residuales principalmente por Nitrosomonas y Nitrosospira, que
únicamente llevan a cabo la reacción de oxidación del amonio a nitrito para obtener
energía metabólica, mientras que un segundo grupo de bacterias, que aparece siempre
junto al ya citado y que esta reprensado por Nitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene
energía gracias exclusivamente a este proceso:
Otros microorganismos que también intervienen en el tratamiento aerobio de aguas
residuales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actúan más de componentes
acompañantes que de degradantes y algunas algas como Anabaena y Clorella.
El proceso anaerobio para la depuración de aguas residuales
Las bacterias metanogénicas cumplen un importante papel en la digestión anaeróbica
pues son las encargadas de la etapa final del proceso, en donde la materia orgánica
presente en el sustrato es convertida en CO2 y CH4, pero su baja velocidad de crecimiento
hace que sean necesarios largos períodos de tiempo y se deba tener una especial atención
para el primer arranque del reactor.
Dentro de las bacterias anaeróbicas, las fermentativas se reproducen entre 10 y 60 veces
más rápido que las bacterias metanogénicas. La baja tasa de crecimiento de las bacterias
metanogénicas, en especial las metanogénicas acetoclásticas, es el factor que contribuye
de una forma más importante a los largos tiempos de arranque. El tiempo de duplicación
para las bacterias metanogénicas acetoclásticas es de 7 días, en condiciones óptimas a
36°C.
Figura 1. Representación esquemática de la transformación bacteriana en la
digestión anaerobia
El éxito del primer arranque, de cualquier tratamiento anaeróbico, depende casi en su
totalidad de un crecimiento adecuado de las bacterias metanogénicas y de que el material
celular metanogénico generado sea retenido en el reactor como lodo bacterial.
Los organismos vivos en la tierra requieren de 30 a 40 elementos químicos para su
desarrollo normal. Los más importantes son: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno,
azufre y fósforo. Como existe una cantidad finita de ellos, su continua disponibilidad
depende de ciclos que permitan el uso repetido de dichos elementos, es decir, es
necesario recircularlos. El mecanismo general por el cual en los ecosistemas de nuestro
planeta se recirculan los elementos, es a través de la relación existente entre el flujo
energético, el ciclo del agua y los ciclos biogeoquímicos.
El ciclo de vida bacterial toma dos caminos: la célula se divide y reproduce a sí misma o
continúa su función hasta que muere. En su mayoría las bacterias se reproducen por fisión
binaria, esto es, cada célula original se divide en dos nuevas células u organismos. El
patrón de crecimiento de las bacterias presentes en un volumen fijo de medio de cultivo
tiene cuatro diferentes fases:
1. Fase de adaptación: Es el tiempo que toman las bacterias para aclimatarse a su
nuevo ambiente, a partir de la adición de estas al medio de cultivo, es un período de
ajuste a las nuevas condiciones encontradas por la simiente inoculada.
2. Fase de crecimiento exponencial: Durante este período las células se dividen a una
rata determinada por su propio tipo, tiempo y capacidad para procesar el alimento.
3. Fase estacionaria: La población se mantiene estacionaria. Las razones para este
fenómeno son: que las células han agotado los nutrientes necesarios para su crecimiento,
o que, el crecimiento de las nuevas células está equilibrado con la mortalidad de las
células viejas.
4. Fase de extinción: Durante esta fase la rata de mortalidad de las bacterias supera la
de producción de nuevas células. La rata de mortalidad es normalmente una función de
las características del medio ambiente y de la población aceptable por el medio. Si el
alimento se agota, todas las bacterias regresan a sus sistemas de respiración y digestión
endógenos. Luego que la célula muere, su material orgánico se convierte en fuente de
alimento para otras bacterias o formas de vida más desarrolladas.
Es evidente pues, que sólo asegurando un rápido crecimiento de la población bacteriana
anaeróbica puede lograrse la máxima producción de gas, y ello requiere, en primer lugar,
la presencia de macro y micronutrientes en la proporción adecuada. Por ello la relación
C/N es un índice altamente significativo en lo que se refiere a la digestibilidad y al
rendimiento potencial de un determinado material orgánico. Su valor óptimo está
comprendido entre 25 y 30.
Los procesos biológicos utilizados en la depuración de aguas residuales como el sistema
de tratamiento anaeróbico, tienen su fundamento en la densidad de la población microbial
o biomasa, cuyo crecimiento depende de la existencia en el medio, de ciertos elementos,
indispensables para la síntesis celular, por lo tanto cualquier proceso de tratamiento
biológico, necesita nutrientes y estos deben ser suministrados según el grado de actividad
microbial deseado.
Si bien se conocen microorganismos que precisan para su desarrollo de sustancias
orgánicas tales como vitaminas, ácidos grasos, aminoácidos que son suministrados por
otros, por regla general las bacterias tienen requerimientos nutritivos simples. En el caso
concreto de las bacterias responsables de la fermentación anaeróbica estos requerimientos
son además del carbono y el nitrógeno, el fósforo cuyas necesidades se cifran en 1/5 de
las de nitrógeno, y una serie de elementos minerales como el S, K, Na, Ca, Mg, Fe,
requeridos sólo en muy pequeñas cantidades para un crecimiento celular óptimo y
normalmente presente en los residuos destinados a este tipo de fermentación.
El éxito de los sistemas anaeróbicos radica en el hecho de que proporcionen las
condiciones para que las tasas de remoción del sustrato en el reactor se hagan
comparables con los de los procesos aeróbicos.
Para lograr esto, se han seguido varias estrategias, que las podemos resumir en:
Incremento de la actividad de las bacterias involucradas en el proceso, incremento de la
biomasa activa dentro del reactor y generación de un buen contacto entre la biomasa
activa y el agua residual.
Eliminación de N y P
En los casos en los que las aguas que salen de la plantase vierten a ecosistemas
en peligro de eutrofización es importante eliminar los nutrientes (P y N) que estas
aguas pueden llevar, para no aumentar la intensidad de ese proceso.
Para eliminar fósforo se suelen pasar las aguas por un reactor "anaerobio" que facilita una
mayor asimilación de ese elemento por las bacterias. Así se llega a eliminar el 60 - 70%
del fósforo. Si esto no es suficiente se complementa con una precipitación química forzada
por la adición de sulfato de alúmina o cloruro férrico.
La eliminación de nitrógeno se hace en varias fases. En primer lugar, durante el
tratamiento biológico habitual, la mayor parte de los compuestos orgánicos de nitrógeno
se convierten en amoniaco (amonificación). A continuación hay que conseguir que el
amoniaco se convierta a nitratos (nitrificación) por la acción de bacterias nitrificantes
(Nitrosomonas y Nitrobacter) que son aerobias. Este proceso de nitrificación necesita de
reactores de mucho mayor volumen (unas cinco o seis veces mayor) que los necesarios
para eliminar carbono orgánico. Las temperaturas bajas también dificultan el proceso (a
12ºC el volumen debe ser el doble que a 18ºC).
A continuación se procura la eliminación de los nitratos en el proceso llamado
desnitrificación. Para esto se usan bacterias en condiciones anaerobias que hacen
reaccionar el nitrato con parte del carbono que contiene el agua que está siendo tratada.
Como resultado de la reacción se forma CO2 y N2 que se desprenden a la atmósfera. Para
llevar a cabo estos procesos hacen falta reactores de gran volumen, aireación de grandes
masas de agua y recirculación de fangos que complican y encarecen todo el proceso de
depuración.
En el medio ambiente natural, cuando interaccionan el agua, el suelo, las plantas, los
microorganismos y la atmósfera, se producen procesos físicos, químicos y biológicos. Los
sistemas de tratamiento natural se diseñan para aprovechar estos procesos con el objeto
de proporcionar tratamiento al agua residual.
Sistemas de Tratamiento Naturales
SISTEMAS DE TRATAMIENTO NATURALES DE AGUAS RESIDUALES
Los procesos que intervienen en los sistemas de tratamiento natural incluyen muchos de
los utilizados en las plantas de tratamiento (sedimentación, filtración, transferencia de
gases, adsorción, intercambio iónico, precipitación química, oxidación y reducción química
y conversión y descomposición biológicas), junto con procesos propios de los sistemas de
tratamiento natural tales como la fotosíntesis, la fotooxidación y la asimilación por parte
de las plantas
A diferencia de los sistemas mecánicos, en los que los procesos se llevan a cabo, de forma
secuencial, en diferentes tanques y reactores a velocidades aceleradas como consecuencia
del poder energético, en los sistemas naturales los procesos se producen a velocidades
―naturales‖ y tienden a realizarse de forma simultánea en un único ―reactor-ecosistema‖
Dentro de los sistemas de tratamiento natural se incluyen, los sistemas de aplicación al
terreno (sistemas de baja carga, de infiltración rápida y de riego superficial) y los sistemas
acuáticos (terrenos pantanosos naturales y artificiales y sistemas de tratamiento mediante
plantas acuáticas).
POTENCIAL DE PLANTAS ACUÁTICAS EN EL POSTRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES
Las alternativas de tratamiento biológico incorporan el uso de plantas superiores
(macrófitas) como elemento de tratamiento de las aguas y proponen el
aprovechamiento al máximo de las ventajas de las zonas tropicales tales como la
amplia disponibilidad de luz solar, las altas temperaturas y las propiedades
inherentes de las plantas del trópico, además de su gran variedad.
La similitud de contenido de nutrientes de las aguas negras y de los fertilizantes
comerciales, aunque en proporciones y cantidades diferentes, ofrecen una interesante
perspectiva de la recuperación de los recursos en la forma de cultivos que pueden ser
aprovechados para producción de fertilizante orgánico, energía y alimento, estableciendo
así sistemas integrados de control de la contaminación de las aguas y de recuperación de
recursos.
LAS PLANTAS ACUÁTICAS Y EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN.
Aunque algunos de los primeros intentos de tratar las aguas residuales involucró el uso de
ecosistemas de pantanos y aún de bosques, paulatinamente la experiencia puso de
manifiesto que las plantas acuáticas flotantes, con sus raíces especiales, son en realidad el
mejor sistema de filtro biológico para extraer contaminantes que se encuentran en las
aguas residuales.
La riqueza y variedad de conductas y de compuestos químicos secundarios que las plantas
poseen, por ejemplo compuestos de nitrógeno, terpenoides, fenólicos y alcaloides, para
afrontar factores tales como las diferencias de clima y de suelos, los contaminantes no
naturales, los animales y la competencia de las otras plantas, dan a entender el gran
potencial que éstas tienen como elemento integral de procesos de tratamiento de aguas y
control de la contaminación.
Algunos ejemplos de cualidades de las plantas son:
La mejor eficiencia fotosintética de la mayoría de las plantas tropicales, en
comparación con las plantas de climas templados, debido a la existencia de un ciclo de
asimilación del carbón, el ciclo de Hatch-Slack, adicional al ciclo de Calvin, existente en
todas las plantas.
La gran adaptación a la sequía demostrada por algunas plantas, a través de
mecanismos fisiológicos o bioquímicos.
La habilidad de algunas plantas para absorber, sin presentar síntomas de intoxicación,
sustancias nocivas para la vida animal.
En el caso específico de posible tratamiento de aguas negras algunos ejemplos ilustran
el potencial de las plantas, con experimentos realizados por Tridech, et. al, 1981,
citado por Fonseca y Villate, 1983, en los que se compararon la remoción de cadmio,
arsénico, mercurio, selenio, boro, fenoles y bifeniles policlorinados, nitrógeno y
fósforo, por plantas creciendo en efluentes secundarios, usando plantas flotantes
Eichhornia crassipes, Lemna minor y Pistia stratiotes, plantas
sumergidas Elodea
canadensis, Ceratophyllum demersum, Alternanthera philoxeroides y las emergentes
Scirpus l., Juncos, Sagittaria graminea.
Los fenoles son rápidamente glicosilados y almacenados en las vacuolas o
metabolizados hasta CO2 por un buen número de plantas, tal es el caso de algunas del
género Scirpus y su microflora asociada. Además las raíces de las plantas proveen
apreciable superficie de adherencia y una fuente de carbón orgánico para las bacterias
denitrificadoras,
contribuyendo
así
al
proceso
de
remoción
de
nutrientes
indirectamente; en algunos casos translocan oxígeno de la atmósfera a las raíces
(Wolverton y McDonald, 1983), siendo esto parte de la capacidad de adaptación a
ambientes anaeróbicos, que permiten la subsistencia de algunas plantas en áreas
sometidas a inundación periódica.
PLANTAS
ACUÁTICAS
UTILIZADAS
EN
TRATAMIENTO
DE
AGUAS
RESIDUALES.
Existe un gran número de especies de plantas acuáticas, tanto flotantes como emergentes
(e inclusive algunas especies sumergidas), que se han utilizado para el tratamiento de
aguas residuales. Aunque existen estudios para el tratamiento de efluentes con varias
especies de plantas acuáticas, el jacinto ha sido el más utilizado para este fin, debido a
sus características. Se ha demostrado que la productividad del jacinto acuático está en
función de la temperatura del aire, la disponibilidad de nutrientes (principalmente
nitrógeno) y la densidad de la planta. Además, las plantas proveen sombra que impide el
crecimiento de algas, permitiendo que actúe como filtro biológico clarificando y purificando
el agua.
El estudio más completo de depuración con jacintos de agua, tanto sobre efluentes
urbanos como industriales, ha sido llevado a cabo por el grupo de Wolverton en
Mississippi, en la NASA, National Space Technology Laboratories. El objetivo inicial de
estas investigaciones fue la búsqueda de un sistema que mejorase los lagunajes
facultativos (muy utilizados en Estados Unidos en pequeñas comunidades), a fin de que
los efluentes no superasen los límites contaminantes fijados por la ley federal de 1972
(Federal Water Pollution Control Act Amendments). Como resultados de estos trabajos, el
jacinto de agua ha sido empleado con éxito en el tratamiento de aguas en el Sur y
Sudoeste de los Estados Unidos (Martín, 1994).
MECANISMOS DE REMOCIÓN DE CONTAMINANTES POR PARTE DE LAS
PLANTAS ACUÁTICAS.
Con base en observaciones de ecosistemas naturales y en estudios de laboratorio y a
escala piloto, se ha logrado identificar varios mecanismos de remoción que se suceden
simultáneamente en los sistemas acuáticos, aunque en diferentes etapas del proceso,
alguno de estos mecanismos puede ser dominante sobre los otros.
La mayor parte del tratamiento en estos sistemas está relacionada con el metabolismo
bacterial; es decir que la remoción de sólidos coloidales y material orgánico soluble se
lleva a cabo principalmente por bacterias suspendidas o soportadas en la planta. La
filtración mecánica es otro mecanismo de importancia dentro del proceso de purificación
en un sistema acuático. En él las partículas son filtradas al pasar el agua a través, bien
sea del sustrato o de la red de raíces.
Coexisten, naturalmente, varios fenómenos físicos y químicos en los mecanismos de
remoción nombrados y en otros presentes durante el tratamiento. Por ejemplo, adsorción
física y química sobre el sustrato o la superficie de la planta, la descomposición o
alteración de los compuestos menos estables a través de
fenómenos de oxidación y
reducción y por radiación ultravioleta
Se ha descrito que el mecanismo de purificación en las lagunas con plantas acuáticas se
lleva a cabo de la siguiente manera:.
a) La oxidación de la materia orgánica la realizan las bacterias asociadas a la raíz de la
planta. Esta oxidación se ve favorecida por el transporte de oxígeno de las hojas a la raíz.
b) La remoción de nitrógeno se realiza por absorción de la planta y por una combinación
de procesos microbianos de nitrificación - desnitrificación.
c) La remoción de fosfatos y otros iones se lleva a cabo en gran parte por la absorción de
la planta y en menor proporción por los microorganismos y mecanismos de precipitación.
Plantas de Tratamiento de Agua o Plantas Potabilizadoras
Una planta de tratamiento es una secuencia de operaciones o procesos unitarios,
convenientemente
seleccionados
con
el
fin
de
remover
totalmente
los
contaminantes microbiológicos presentes en el agua cruda y parcialmente los
físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables estipulados por las
normas.
TIPOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
Las plantas de tratamiento de agua se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de
procesos que las conforman, en plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta.
También se pueden clasificar, de acuerdo con la tecnología usada en el proyecto,
en plantas convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología
apropiada y plantas de tecnología importada o de patente.
Plantas de filtración rápida
Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades
altas, entre 80 y 300 m3/m2.d, de acuerdo con las características del agua, del medio
filtrante y de los recursos disponibles para operar y mantener estas instalaciones.
Como consecuencia de las altas velocidades con las que operan estos filtros, se colmatan
en un lapso de 40 a 50 horas en promedio. En esta situación, se aplica el retrolavado o
lavado ascensional de la unidad durante un lapso de 5 a 15 minutos (dependiendo del tipo
de sistema de lavado) para descolmatar el medio filtrante devolviéndole su porosidad
inicial y reanudar la operación de la unidad.
De acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este
tipo de plantas: plantas de filtración rápida completa y plantas de filtración directa.
Planta de filtración rápida completa
Una planta de filtración rápida completa normalmente está integrada por los procesos de
coagulación, decantación, filtración y desinfección. El proceso de coagulación se realiza en
dos etapas: una fuerte agitación del agua para obtener una dispersión instantánea de la
sustancia coagulante en toda la masa de agua (mezcla rápida) seguida de una agitación
lenta para promover la rápida aglomeración y crecimiento del floculo (etapa de
floculación).
La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de partículas
coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas floculentas). El
proceso final de filtración desempeña una labor de acabado, le da el pulimento final al
agua.
De acuerdo con las investigaciones realizadas por la Agencia de Protección Ambiental
(EPA) de los Estados Unidos, el filtro debe producir un efluente con una turbiedad menor o
igual a 0,10 UNT para garantizar que esté libre de huevos de parásitos (Giardia,
Cryptosporidium, etcétera). Para lograr esta eficiencia en la filtración, es necesario que los
decantadores produzcan un agua con 2 UNT como máximo. Finalmente, se lleva a cabo la
desinfección, proceso común a los dos tipos de plantas, las de filtración rápida completa y
las de filtración directa. La función principal de este proceso es completar la remoción de
microorganismos patógenos que no quedaron retenidos en el filtro y servir de protección
contra la contaminación que el agua pueda encontrar en el sistema de distribución.
La desinfección, en la forma en que normalmente se aplica (esto es, con residual libre de
1 mg/L a la salida de la planta y tiempo de contacto mínimo de 30 minutos), solo tiene la
capacidad de remover bacterias.
Plantas de Filtración directa
Es una alternativa a la filtración rápida, constituida por los procesos de mezcla rápida y
filtración, apropiada solo para aguas claras.
Son ideales para este tipo de solución las aguas provenientes de embalses o represas, que
operan como grandes presedimentadores y proporcionan aguas constantemente claras y
poco contaminadas.
Cuando la fuente de abastecimiento es confiable —caso de una cuenca virgen o bien
protegida—, en la que la turbiedad del agua no supera de 10 a 20 UNT el 80% del tiempo,
y no supera 30 UNT ni 25 UC el 90% del tiempo, puede considerarse la alternativa de
emplear filtración directa descendente
Cuando el agua viene directamente del río y aunque clara la mayor parte del año,
presenta frecuentes fluctuaciones de turbiedad, normalmente se considera una floculación
corta, generalmente de no más de 6 a 8 minutos, para obtener un efluente de calidad
constante, aunque con carreras de filtración más cortas. Esta es la alternativa más
restringida de todas en cuanto a la calidad de agua que se va a tratar. En el caso de
aguas que el 90% del tiempo no sobrepasan los 100 UNT y las 60 UC y alcanzan
esporádicamente hasta 200 UNT y 100 UC, podrían ser tratadas mediante filtración directa
ascendente.
La tercera alternativa disponible para aguas relativamente claras es la filtración directa
ascendente–descendente. Esta alternativa es aplicable a aguas que el 90% del tiempo no
sobrepasan las 250 UNT ni las 60 UC, y alcanzan esporádicamente más de 400 UNT y 100
UC.
Plantas de filtración lenta
Los filtros lentos operan con tasas que normalmente varían entre 0,10 y 0,30 m/h; esto
es, con tasas como 100 veces menores que las tasas promedio empleadas en los filtros
rápidos; de allí el nombre que tienen. También se les conoce como filtros ingleses, por su
lugar de origen.
Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en
forma espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etcétera, a
través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de grava, arena y arcilla
hasta alcanzar los acuíferos o ríos subterráneos. Al igual que en la naturaleza, los procesos
que emplean estos filtros son físicos y biológicos.
Una planta de filtración lenta puede estar constituida solo por filtros lentos, pero
dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los procesos de desarenado,
presedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava y filtración lenta.
Los procesos previos al filtro lento tienen la función de acondicionar la calidad del agua
cruda a los límites aceptables por el filtro lento. Con el tren de procesos indicados se
puede remover hasta 500 UNT, teniendo en cuenta que el contenido de material coloidal
no debe ser mayor de 50 UNT; es decir, que la mayor parte de las partículas deben estar
en suspensión para que sean removidas mediante métodos físicos.
PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS
Los
Municipios
Colombianos
como
consecuencia
de
la
descentralización
administrativa han venido adquiriendo una mayor responsabilidad en la gestión
para orientar el desarrollo socioeconómico y ambiental de los entes territoriales.
Aunque los recursos económicos propios y de la nación son el eje de dicha gestión,
también lo son los instrumentos procedimentales y normativos con que cuentan las
administraciones municipales para realizar una labor eficiente.
Una de las problemática ambientales que se ha intensificado durante los últimos años y
que exige de una acción inmediata de los municipios, es la descontaminación del recurso
hídrico generada por las aguas residuales municipales. Sólo el 22 % de los municipios del
país realizan un tratamiento de sus aguas residuales, un porcentaje realmente bajo sí
consideramos que tampoco se ha reportado una aceptable eficiencia y operación de la
mayoría de estas plantas de tratamiento.
Pero la gestión para el Manejo y Tratamiento de las Aguas Residuales (MTAR) no se
reduce simplemente el tratamiento de los vertimientos del alcantarillado municipal, debe
trascender a una gestión más integral reflejada en la reducción de cantidad de
vertimientos, control de la calidad de los vertidos, ampliación de la cobertura de
recolección, formulación de planes maestros de saneamiento, gestión de los proyectos de
inversión, construcción de la infraestructura de tratamiento, seguimiento sanitario y
ambiental y programas de educación ambiental, entre otros.
PROBLEMÁTICA AMBIENTAL
Las descargas de las aguas residuales municipales se han convertido en uno de los
problemas ambientales más críticos y más crecientes, si consideramos que el incremento
poblacional de la mayoría de los centros urbanos medianos y grandes es notable debido a
la situación socioeconómica y de orden público del país.
Esta situación se refleja en el aumento de las descargas de tipo doméstico y productivo,
deteriorando cada vez más el estado de la calidad del recurso. La situación se hace más
crítica cuando la corriente tiene un uso definido aguas abajo, pues se alteran las
condiciones de calidad del agua requeridas para el abastecimiento de actividades
específicas (doméstica, industrial, agrícola, pecuaria, etc.) y la vida acuática.
Las evaluaciones reportan que los centros urbanos en Colombia captan alrededor de los
170 m³/seg de agua, de los cuales se pierden entre 40% y 50 %, regresando al ambiente
en forma de aguas residuales entre un 70%a 80% de las aguas consumidas. Se estima
que en Colombia se descargan diariamente cerca de 700 toneladas de carga orgánica del
sector doméstico urbano a los cuerpos de agua.
El inventario de sistemas de tratamiento de aguas residuales del Ministerio del Medio
Ambiente, reporta que sólo 22% de las cabeceras municipales del país hacen tratamiento
de las aguas residuales y muchas están funcionando deficientemente, o lo que es más
crítico sin ser operadas.
Se reporta que los departamentos con mayor cobertura de plantas de tratamiento de
aguas residuales, PTAR (operando y/o en diseño) son Cundinamarca (38 PTAR),
Antioquia(26 PTAR), Cesar (14 PTAR), Valle del Cauca (14 PTAR) y Tolima (13 PTAR).
El caso crítico en el país se presenta en la cuenca del Magdalena-Cauca (25 % del área
territorial), con un 70%de la población y sólo 11 % de la oferta hídrica del país; estas
condiciones han contribuido a la desregulación del régimen hídrico y al deterioro de la
calidad de la cuenca.
La presión sobre las demás áreas hidrográficas (las vertientes del Orinoco, Amazonas,
Pacífico, Sinú, Atrato, Catatumbo y Sierra Nevada de Santa Marta) es importante y de
carácter regional.
La contaminación hídrica no es exclusiva de los centros urbanos, pero una alta proporción
(más de 50%) de las cargas contaminantes son generadas por los vertimientos
domésticos de los municipios; se destacan como zonas críticas las·áreas metropolitanas y
centros urbanos mayores tales como Bogotá - Soacha; Cali - Yumbo; Medellín - Valle de
Aburrá·; Bucaramanga-Florida blanca; Pereira - Dosquebradas - La Virginia; Barranquilla Soledad; Cartagena -Mamonal y Santa Marta, entre otros; afectando ecosistemas hídricos
tan importantes como los ríos Bogotá·,Cauca, Medellín, Magdalena, Otún-Consota, la
bahía de Cartagena y Barranquilla, entre otros.
Según el Inventario Nacional del Sector de Agua Potable y Saneamiento del Ministerio de
Desarrollo, cerca de1300 cuerpos de agua están siendo contaminados por ser los
receptores de los vertimientos municipales.
Esta situación hace que la disponibilidad del recurso sea limitada en muchas regiones del
país principalmente para consumo humano y recreativo.
La sobresaturación de carga orgánica desequilibra los ecosistemas acuáticos y genera
condiciones anóxicas (sin oxígeno) de difícil recuperación que limitan la vida de las
comunidades acuáticas y generan procesos de eutrofización de lagos y lagunas por sobreabundancia de nutrientes (nitrógeno y fósforo).
PROBLEMÁTICA SOCIOECONÓMICA
Los vertimientos de aguas residuales a los cuerpos de agua no sólo impactan la vida
acuática, si no que principalmente afectan la salud humana. La contaminación
bacteriológica presente en las aguas negras municipales es la más relevante a nivel
sanitario, ya que estas contienen en grandes cantidades microorganismos patógenos
generadores de múltiples enfermedades (cólera, amebiasis, disentería, gastroenteritis,
fiebre tifoidea, hepatitis A, entre otras).
Aunque Colombia es uno de los países que se destaca por su alto nivel sanitario, se
continúan reportando elevados índices de enfermedades asociadas al agua; estando éstas
siempre entre los cinco primeros lugares de mortalidad y morbilidad en niños (sólo en
1991 se reportaron 12.210 casos y 208 defunciones en 248 municipios por una epidemia
de cólera).
La disponibilidad natural de agua potable se reduce cuando existen vertimientos aguas
arriba de las captaciones de acueductos, por esta causa en el país son muchos los centros
poblados que consumen aguas de mala calidad; que se agrava con la falta de un
adecuado sistema de potabilización.
Los inventarios de agua potable y saneamiento reportan que aproximadamente 300
municipios no realizan desinfección de las aguas que se están consumiendo y 450 no
tienen planta de tratamiento.
Los impactos económicos por un mal manejo y disposición de las aguas residuales no está
suficientemente valorado, pero es evidente los sobrecostos que es necesario invertir para
remover los principales contaminantes.
Las plantas de tratamiento de agua potable se han convertido sin pretenderlo, en sistemas
de tratamiento de aguas residuales que aunque diluidas exigen una mayor cantidad de
adición de químicos y un mayor esfuerzo en las actividades de mantenimiento y operación.
Las inversiones adicionales en la salud no son menores, en aquellas poblaciones carentes
de sistemas de potabilización adecuados, se evidencia una mayor incidencia de
enfermedades gastrointestinales que generan grandes gastos en servicios de salud.
Las aguas residuales mal manejadas afectan áreas con un alto potencial turístico y
recreativo no permitiendo el desarrollo de proyectos generadores de recursos en este
sector. Hace menos de 20 años muchos municipios contaban con cuerpos de agua que
permitían actividades recreativas y generaban algunos recursos, actualmente son pocas
las zonas que conservan esta vocación, todo esto por los efectos de la contaminación de
los vertimientos de aguas negras.
Igualmente, no se ha estimado el impacto económico en los sectores productivos, los
cuales invierten insumos importantes en remover los contaminantes que afectan los
procesos productivos y el mantenimiento de maquinaria y equipos afectados por la
contaminación.
Características de las AguasResiduales Municipales
Las aguas residuales municipales son esencialmente aquellas aguas de abastecimiento que
después de ser utilizadas en las actividades domésticas (consumo humano, cocimiento de
alimentos, aseo personal y local, etc.) y productivas (lavados, diluciones, calentamientos,
refrigeración, etc.) son descargadas a los alcantarillados domiciliarios o directamente al
ambiente.
Las características físicas, químicas y bacteriológicas del agua residual de cada centro
urbano varía de acuerdo con los factores externos como: localización, temperatura, origen
del agua captada, entre otros; y a factores internos como la población, el desarrollo
socioeconómico, el nivel industrial, la dieta en la alimentación, el tipo de aparatos
sanitarios, las prácticas de uso eficiente de agua, etc.
Igualmente los vertimientos varían en su caudal en el tiempo, presentando a nivel
doméstico mayores volúmenes especialmente en horas de comidas y de quehaceres
domésticos, y a nivel industrial de acuerdo a los horarios de lavados y descargas en los
procesos de producción. Por esta razón cada municipio presenta unas características
moderadamente variables en sus vertimientos.
El principal contaminador de las Aguas Residuales Domésticas (ARD) son las heces y la
orina humana, seguido de los residuos orgánicos de la cocina; éstas presentan un alto
contenido de materia orgánica biodegradable y de microorganismos que por lo general
son patógenos.
Cuando el municipio tiene un alto desarrollo industrial pueden predominar compuestos
inorgánicos poco biodegradables (metales pesados,
plaguicidas, sólidos, etc) y
dependiendo del estado del alcantarillado (fugas o conexiones erradas) o si es combinado
(aguas lluvias y negras) o sanitario (sólo aguas negras), pueden estar más o menos
diluidas.
La composición típica de un agua residual municipal se presenta en la Tabla 16.
La materia orgánica (grasas, proteínas, carbohidratos) presente en las aguas residuales
domésticas es biodegradada por los microorganismos, en condiciones aeróbicas cuando
los cuerpos de agua no están altamente contaminados, o en condiciones anaerobias
cuando se superan los niveles de asimilación, agotando el oxígeno disuelto, limitando la
vida acuática y generando malos olores producto de los procesos de descomposición.
El alto número de microorganismos presentes en los vertimientos, principalmente los
coliformes fecales (indicadores de contaminación bacteriológica) pueden sobrevivir en el
ambiente hasta 90 días. Este hecho afecta notablemente la disponibilidad del recurso para
consumo humano, ya que cualquier microorganismo patógeno, que este presente en los
vertimientos es potencialmente peligroso y susceptible de afectar la salud humana si no es
controlado.
Otros constituyentes de las aguas residuales domésticas como: sólidos, detergentes,
grasas y aceites, nitrógeno y fósforo se encuentran en concentraciones relativamente
moderadas, cuya asimilación depende del estado del cuerpo receptor.
Tabla 5 Características típicas del agua residual municipal
Fuente: MinAmbiente, 2002
Cuantificación del Vertimiento de Agua Residual.
Como se describió anteriormente las características en composición y en cantidad de agua
residual producidas varían para cada municipio; lo que exige que para caracterizar los
vertimientos sea necesario realizar programas intensivos de aforos de caudal y muestreos
de los efluentes finales del sistema de alcantarillado.
El Reglamento de Agua Potable y Saneamiento, (RAS), expedido por el Ministerio de
Desarrollo, plantea en el título E, los procedimientos necesarios para determinar los
caudales y las concentraciones de los compuestos de interés sanitario y ambiental de los
vertimientos.
Dichos programas de monitoreo se consideran indispensables en centros urbanos
medianos y altamente desarrollados a nivel industrial y agroindustrial ya que dependiendo
del tipo de actividad productiva se presentan diferentes calidades en los vertidos.
Para centros urbanos de municipios pequeños predominan las características de un agua
residual de tipo doméstico, por lo que existen métodos indirectos (presuntivos) muy
prácticos para la determinación de caudales y de los principales contaminantes.
DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DEL AGUA RESIDUAL.
El caudal depende de la población existente dentro del perímetro sanitario del centro
urbano y la dotación de consumo de agua per capita (litros por habitante en un día)
afectado por un factor de retorno (porcentaje del agua consumida que regresa al
alcantarillado, generalmente entre 70% y 80 %) (Tabla No 17).
El caudal de consumo medio diario, Qmd es:
Qmd (lt/día) = P (habitantes) x D (dotación, lt/hab/día)
Tabla 6. Dotaciones de consumo.
Fuente: MinAmbiente, 2002.
En un alcantarillado municipal existen otros aportes de aguas residuales
(industrial,
comercial, institucional) y de conexiones erradas e infiltraciones que no son valorados en
la Guía de MinAmbiente en la cual nos hemos basado para presentar este capítulo.
Cantidad de una Sustancia de Interés Ambiental y Sanitario
La cantidad de una sustancia es por lo general expresada como la concentración (en
general en miligramos por litro), que es la medida del peso del compuesto en un volumen
definido.
Igualmente se ha generalizado la expresión de carga contaminante (CC) cuando se
relaciona la concentración directamente con el caudal descargado, expresando la cantidad
de una sustancia vertida en el tiempo. Las mediciones directas de campo son las más
representativas para obtener mediante análisis de laboratorio las concentraciones de
compuestos de interés en una muestra de agua residual.
Algunos parámetros característicos de las aguas residuales domésticas son la Demanda
Bioquímica de Oxígeno (DBO5), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y los Sólidos
Suspendidos Totales (SST); los cuales pueden determinarse de manera presuntiva
mediante el uso de cargas unitarias (Cu). Se estima que una persona genera una
contaminación diaria aproximada de 0.040 kg DBO y 0.050 kg SST.
La carga contaminante para una sustancia se determina entonces así:
Para determinar si un vertimiento de agua residual es biodegradable y puede ser tratado
por medios biológicos se verifica que la relación DBO5/DQO sea mayor a 0.5 (es decir una
proporción de materia orgánica mayor al 50 %).
Para la determinación de los coliformes fecales por su variabilidad en las aguas residuales
no se sugiere la utilización cargas unitarias, sino la realización de muestreos y análisis de
laboratorio de los vertimientos municipales.
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