reutilización de aguas residuales: un recurso alternativo

REUTILIZACIÓN
DE
AGUAS
RESIDUALES:
UN
RECURSO
ALTERNATIVO. TRATAMIENTOS DE REGENERACIÓN.
Joan Sanz Ataz, Leopoldo Guerrero Gallego, Juan Manuel Ortega Díaz
VEOLIA Water Systems Ibérica. Dirección Técnica.
E-mail: [email protected]
INTRODUCCIÓN
La reutilización de aguas residuales de origen urbano, sometidas a un tratamiento de
depuración en las Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDAR) y
posteriormente a una reducción de sólidos en suspensión y desinfección mediante
tratamiento terciario, constituye un recurso hidráulico alternativo (Figura 1) perfectamente
aplicable y ensayado para el riego de superficies con requerimientos especiales, tales
como terrenos agrícolas, invernaderos, campos de golf, parques y jardines, así como
aplicable a otros usos (limpieza, vehiculado de materia, etc.) no directamente
relacionados con el consumo humano, y de especial interés para asegurar el suministro
en estaciones climáticas secas, o en períodos prolongados de escasa pluviometría y
particularmente en climas semiáridos (Asano et al., 1994).
La recarga de acuíferos por infiltración/percolación o bien por inyección directa para su
posterior extracción y tratamiento como agua de consumo humano ó como control de la
intrusión de aguas saladas, fija los criterios de calidad más rigurosos para las aguas
regeneradas (Asano et al, 1992; Crook et al, 1990). La presencia de microcontaminantes
orgánicos emergentes plantea a su vez una constante revisión de los criterios de calidad
del agua regenerada para la recarga de acuíferos y de los tratamientos más adecuados
para su control.(Tsuchihashi et al, 2002).
Diferentes factores ambientales y sociales pueden promover la demanda de la
regeneración de las aguas residuales depuradas y su posterior reutilización sustituyendo
otros recursos hídricos convencionales (Figura 2).
Figura 1. Gestión integrada del ciclo del agua. Recursos alternativos
Figura 2. Factores que promueven la reutilización de agua regenerada
PROCESOS DE REGENERACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
La selección de los procesos y tecnologías necesarios para la regeneración de las aguas
residuales implica el conocimiento previo del tipo de efluentes a tratar (primario,
secundario o terciario), su calidad en el tiempo y la calidad exigida a el agua regenerada
(Asano, 1998). Aunque, generalmente, en nuestro país se regeneran efluentes
secundarios o terciarios, se considera que también, desde el punto de vista de
tecnologías, el tratamiento de los efluentes primarios directamente para obtener aguas
adecuadas por el riego conocidos como tratamientos primarios avanzados.
La calidad exigida al agua regenerada referida a los diferentes usos (Tabla 1), si bien
presenta todavía cierta incertidumbre desde el punto de vista del marco legislativo
catalán, español y europeo debido a la carencia de la promulgación de las
recomendaciones
o
borradores
existentes
(Cataluña
y
Estado
Español,
respectivamente), está referida al uso habitual de las recomendaciones y borradores
(ACA, Cedex) y de las referencias al título 22 de California y las recomendaciones de la
OMS y la USEPA .
Tabla 1. Usos asociados a tipos de agua regenerada (Agencia Catalana del Agua)
Los procesos empleados en la regeneración están orientados principalmente a la
reducción de la materia coloidal y en suspensión por su incidencia sobre la desinfección
y a los microorganismos patógenos y parásitos. Según la finalidad de la reutilización
también se considera la reducción de sales solubles, microcontaminantes inorgánicos y
orgánicos y parámetros agrónomos. Aun así, también se contempla la formación de
subproductos propios de los procesos de oxidación y desinfección.
La selección de los procesos unitarios presentan a la vez sus limitaciones técnicas,
económicas y ambientales.
Si bien inicialmente los efluentes secundarios han sido tratados con la tecnología
disponible por agua potable con un cierto concepto de diseñar una ETAP después de la
EDAR con vistas a cumplir las exigencias de calidad sanitaria del agua regenerada, con
el tiempo se ha ido considerando los efluentes como una matriz específica de agua a
tratar. Con este planteamiento se han modificado y adaptado las tecnologías existentes,
desarrollando tecnologías específicas de regeneración y se han conectado con el resto
del ciclo integral del agua.
Los últimos años se ha profundizado en el análisis de la composición orgánica de los
efluentes secundarios (EfOM, effluent organic matter) y su papel en los mecanismos de
ensuciamiento tanto de los sistemas de filtración superficial y en profundidad como en los
sistemas de separación por membranas. También el interés en nuevos indicadores
microbiológicos, en la presencia de patógenos y parásitos obligan a evaluar desde otras
orientaciones los procesos de la regeneración de le agua depurada. De forma
emergente, también aparecen a la comunidad científica las consideraciones sobre la
presencia de microcontaminantes orgánicos sintéticos o xenobióticos (Ongerth y Khan,
2004) en los efluentes secundarios y los subproductos generados en el propio proceso
de regeneración en la reutilización dirigida al reuso potable indirecto como son la recarga
de acuíferos. Esta última reutilización y el objetivo de reducción de la salinidad a el agua
regenerada han promovido entre otros factores el desarrollo de los sistemas integrales
de membranas.
Coagulación – floculación y sedimentación
Los sistemas de separación sólido-líquido en base a la coagulación y floculación y
decantación lamelar son aplicados tanto en los casos dónde el contenido de materia en
suspensión impide la filtración directa de los efluentes secundarios como en los procesos
de clarificación previa a los sistemas de membranas. Las mejoras en estos sistemas se
encuentran en los cambios de diseño de las cámaras internas y la aplicación de
elementos como la microarena empleada en el proceso Actiflo® (fotografía 1) que
aumentan las velocidades específicas manteniendo valores bajos de turbidez (Metcalf &
Eddy, 2003).
Fotografía 1. Sistema Actiflo® instalado en Archêres (París, Francia)
Filtración
Dentro del proceso de filtración, tanto si es superficial como si es en profundidad,
aparece como punto clave la aplicación de la distribución de medida de partícula a los
efluentes secundarios (Adin, 1999) y del conocimiento de los mecanismos de filtración de
cada sistema.
Filtración superficial
La filtración superficial mediante tamices (fotografía 2) con intervalos de luz de 10 a 20
µm permite la reducción de la carga de sólidos en suspensión previa a la desinfección
con luz ultravioleta según el reconocimiento del Título 22 de California. En este proceso
la eficacia de filtración depende de la curva de distribución de la medida de la partícula.
La filtración de precapa también se presenta como un elemento disponible en lo
pretratamiento de los sistemas de membranas.
Fotografía 2. Sistema de filtración superficial con microtamices Discfilter
Filtración en medio granular
La filtración en profundidad abarca desde filtros por gravedad o a presión propios de
tratamiento de aguas prepotables que han evolucionado para tratar efluentes
secundarios como diseños específicos para la regeneración (Michel, T, 1998; Guerrero et
al., 2003).
De nuevo se debe considerar claves las características de medida, formas y naturaleza
de las partículas de los efluentes secundarios en relación a la eficiencia del proceso
(Kaminsky et al., 1997). El uso de los sistemas de membranas de ósmosis inversa y
nanofiltración ha dado lugar al estudio de la mejora de los procesos de filtración que
forman parte de los pretratamientos. Así se plantean sistemas de filtración con doble
etapa tanto en filtros abiertos como en filtros a presión con objeto de obtener valores de
los índices de ensuciamiento SDI o MFI adecuados por los sistemas de membranas.
Separación por membranas
El proceso de separación por membranas permite la reducción de la materia en
suspensión y coloidal y de los compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos en función
de la membrana seleccionada. Considerando la medida del poro o del peso molecular del
corte, las membranas se clasifican en cuatro grupos: microfiltración (0,1 µm ó 500.000
dalton), ultrafiltración (0,01 µm ó 20.000 dalton), nanofiltración (0,001 µm ó 200 dalton) y
ósmosis inversa (0,0001 µm ó <100 dalton) (Mulder, 2000). La microfiltración y la
ultrafiltración están orientadas habitualmente a la reducción de carga microbiológica y al
pretratamiento de nanofiltración o de ósmosis inversa en sistemas integrales de
membrana (fotografía 3). La nanofiltración y la ósmosis inversa se aplican por la
reducción del contenido en las sales disueltas y separación de microcontaminantes
orgánicos.
Fotografía 3. Sistema integrado de membranas para suministro de agua regenerada
Microfiltración y ultrafiltración
La aplicación de estos procesos de separación por membrana a los efluentes
secundarios presenta como punto crítico el mantenimiento de los valores de
permeabilidad en las diferentes condiciones de operación y por lo tanto el control de le
ensuciamiento de las membranas y su limpieza por medios físicos y químicos. La
aplicación de técnicas analíticas como la cromatografía líquida de exclusión con detector
doble de carbono orgánico disuelto y absorbancia ultravioleta (LC-OCD) (Ernst et al.,
2000) permiten caracterizar las diferentes fracciones orgánicas presentes y su relación
con le ensuciamiento de las membranas (Laabs et al., 2003). La identificación de las
fracciones orgánicas por LC-OCD se combinan a la vez con el análisis de superficies
(Jarusutthirak et al., 2002). La medida del potencial de ensuciamiento de los efluentes
secundarios con parámetros tradicionales empleados en agua potable suele ser
insuficiente por dar suficiente información para explicar la pérdida de permeabilidad
(Roorda y Van der Graaf, 2001) y por lo tanto hace falta desarrollar nuevos ensayos para
caracterizar la filtrabilidad de los efluentes enfrente de las membranas que permitan
predecir la evolución de la permeabilidad y de le ensuciamiento (Roorda, 2004).
Como reducción del impacto del ensuciamiento a los procesos de microfiltración o
ultrafiltración se plantean la floculación en línea y adsorción (Guo et al., 2005) y la
formación de precapa como en los sistemas de tratamiento de aguas superficiales
(Galjaard, 2001).
Nanofiltración y ósmosis inversa
Aunque desde 1975 operó la conocida planta de regeneración de Water Factory 21 con
membranas de acetato de celulosa de ósmosis inversa, durante mucho años no se
pudieron aplicar membranas al tratamiento de los efluentes secundarios debido a los
rápidos ensuciamientos de las mismas. El desarrollo y la aplicación de membranas de
microfiltración y ultrafiltración, hacia el principio de los años 90, pensadas como
pretratamiento permitió el uso razonable de la ósmosis inversa (Figura 3). También en
estos años se han desarrollado o mejorado las membranas en un proceso de adaptación
a las características de los efluentes secundarios. Así, han aparecido membranas
específicas resistentes a el ensuciamiento por modificación de sus propiedades
superficiales como son el potencial zeta, rugosidad, etc., con objeto de reducir le
adhesión bacteriana (Redondo y Lomax, 2001) y de los compuestos orgánicos de alto
peso molecular. La combinación de pretratamientos en base a microfiltración y
ultrafiltración se combinan con las membranas hidrofílicas con menor afinidad para las
moléculas orgánicas (Wilf y Alto, 2000). Como en el tratamiento de aguas superficiales y
de mar, el punto crítico es el control del ensuciamiento microbiológico, coloidal,
inorgánico y orgánico y el uso de buenas herramientas de diagnóstico y prevención
(Vrouwenvelder et al., 2003).
De estas cuatro causas de ensuciamiento, la más comprometida es la formación de
biopelículas sobre las membranas y por lo tanto buena parte de la búsqueda se
encuentra
en
el
campo
de
la
prevención
del
ensuciamiento
microbiológico
(Vrouwenvelder y Van der Kooij, 2001). En todos los casos se precisa tomar una posición
proactiva ante la evolución de los datos de operación una vez que los sistemas están en
servicio y presentan síntomas de ensuciamiento (Huiting et al., 2001).
Figura 3. Sistema integrado de membranas para obtención de agua regenerada tipo A (ACA)
Biorreactores de membrana
Una de las más prometedoras tecnologías dentro del campo de las mejoras en el
tratamiento de las aguas residuales urbanas e industriales son los sistemas combinados
de tratamiento biológico y filtración con membranas conocidos como biorreactores de
membrana (Buisson et al., 1998). Con esta configuración (fotografía 4), el agua depurada
obtenida presenta una calidad de agua regenerada previa a la desinfección con valores
de sólidos en suspensión < 5 mg/l, turbidez inferior a 0,5 UNF, reducción en Coliformes
fecales >6,2 log y en bacteriófagos F-RNA >3,8 log (Tazi-Pain et al., 2002).
Como en los otras sistemas con membranas, el obstáculo principal es el mantenimiento
de la permeabilidad debido a el ensuciamiento y la eficiencia de las limpiezas físicas y
químicas (Lim y Bai, 2003). De nuevo, el punto clave es conocer los compuestos
responsables del ensuciamiento de la membrana (Rosenberg et al., 2004) y los trabajos
de modelización (Lee et al., 2002).
El proceso combinado de bioreactor de membrana y ósmosis inversa ha sido ensayado
con la finalidad de obtener una calidad suficiente para plantearla como una nueva fuente
de suministro de agua potable dentro del reúso potable indirecto (Lozier y Fernández,
2000).
Fotografía 4. Sistema de biorreactor de membrana Biosep®
Desinfección
Luz ultravioleta
La aplicación de la luz ultravioleta a la desinfección de los efluentes regenerados que
inicialmente empleaba lámparas de baja presión y baja intensidad se ha ampliado con la
posibilidad del uso de lámparas de baja presión y alta intensidad y de media presión. En
todo caso, el conocimiento sobre la inactivación de los microorganismos presentes a el
agua regenerada y su comparativa con el proceso de desinfección por cloro ha
aumentado en los últimos años (Darby et al., 1995). A la vez, los diseños de los reactores
(fotografía 5) se han modernizado y optimizado considerando los valores de parámetros
que afectan a la eficiencia como son la medida de las partículas y la absorbancia a 254
nm y como varían estos parámetros por los diferentes tratamientos previos a la
desinfección por luz ultravioleta (Darby et al., 1999).
Fotografía 5. Sistema de desinfección en canal abierto por luz ultravioleta UV-Star®
Cloración y cloraminación
El uso de los derivados del cloro como agente desinfectante en combinación con la luz
ultravioleta da lugar a la posibilidad de reducir las dosis de cloro empleadas y en el caso
de aguas regeneradas con presencia de nitrógeno amoniacal al tratamiento por debajo
del punto de ruptura minimizando la formación de trihalometanos.
Tratamientos específicos
Cuando se plantea la reducción de la concentración de microcontaminantes específicos
cómo pueden ser los compuestos orgánicos volátiles, N-Nitrosodimetilamina (NDMA),
productos farmacéuticos, etc., se pueden considerar diferentes tratamientos como son el
intercambio iónico, la adsorción sobre carbón activo, stripping o la oxidación avanzada
(Metcalf & Eddy, 2003).
Ensayos en planta piloto
Son una herramienta clave del diseño completo del proceso de regeneración (fotografía
6). Se debe contemplar el proceso de forma integral, desde el efluente secundario a
regenerar hasta el uso final del agua regenerada en la reutilización. En sistemas
integrales
de
membranas,
permiten
evaluar
en
conjunto
los
pretratamientos
(microfiltración y ultrafiltración) con el proceso final de separación por membrana
(nanofiltración y ósmosis inversa). También permiten introducir mejoras de proceso en
los pretratamientos convencionales y comparar diferentes alternativas basadas en
membranas (Letona et al, 2004).
Fotografía 6. Planta piloto de tratamiento de regeneración de aguas
CONCLUSIONES
Las tecnologías aplicadas a la regeneración evolucionan hacia una mayor fiabilidad con
el aumento de la reutilización planificada del agua, la definición de estándares de calidad
por el agua regenerada, el conocimiento adquirido por los usuarios y los ensayos en la
planta piloto.
El diseño de los sistemas de tratamiento se adaptan cada vez más a las características
de los efluentes en la medida que se conocen los mecanismos de ensuciamiento y los
compuestos relacionados con este.
La selección del tratamiento para la regeneración de las aguas residuales depuradas es
un compromiso entre las calidades de entrada y salida, las operaciones unitarias
disponibles y la fiabilidad esperada, que en todo momento se tienen que considerar como
parte de un todo y no de forma separada.
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