tribuna - Gobierno de Aragón

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EL PROCESO DE DEPURACIÓN
DE LAS AGUAS RESIDUALES
URBANAS
María Peña Ormad Melero
Profesora Titular de Tecnologías del Medio Ambiente
Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente
Centro Politécnico Superior - Universidad de Zaragoza
La incorporación al ordenamiento jurídico español de la Directiva 91/271/CEE, relativa
al tratamiento de las aguas residuales urbanas, supone la construcción y puesta en
marcha de un buen número de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales urbanas
o EDARs, para tratar los vertidos procedentes de aglomeraciones que representen más
de 2.000 habitantes equivalentes, en todo el territorio español, previamente a su vertido final al cauce receptor.
Para reducir la contaminación presente en las aguas, la mayor parte de las plantas de
depuración disponen de pretratamiento, tratamiento primario y tratamiento biológico
secundario, los cuales aseguran una calidad del vertido final que se adecua a los límites permitidos por la legislación vigente. Algunas deben disponer también de tratamiento terciario.
Explicar el fundamento de los procesos y etapas de depuración que constituyen habitualmente la línea de aguas de una Estación Depuradora de Aguas Residuales urbanas,
es el objetivo fundamental de este trabajo.
Las EDARs pueden encontrarse ahora en casi todos los municipios. La situación y el
tamaño del municipio determina cómo de grande debe ser la planta, así como las etapas y procesos que deben incluirse en el tratamiento.
Origen y características de las aguas residuales urbanas
El término “agua bruta” se utiliza comúnmente para
denominar a las aguas residuales que entran en una
planta depuradora o EDAR. Son aguas contaminadas,
aguas sin tratar.
Las aguas residuales que entran en la EDAR pueden
proceder de distintas fuentes; son aguas residuales
domésticas, aguas residuales comerciales, aguas
residuales industriales y, en ocasiones, también aguas
de lluvia. En conjunto, presentan color gris, elevada
turbiedad y olor desagradable, debido a la presencia
de distintas materias contaminantes.
Las aguas residuales domésticas son las aguas que
se generan en nuestros hogares. Contienen sólidos
fecales y residuos procedentes del lavado, de la cocina, de duchas, lavaplatos, lavadoras…
Las aguas residuales comerciales proceden de pequeños comercios y restaurantes, y las aguas residuales
industriales proceden de industrias que vierten al
alcantarillado de la ciudad.
Las aguas residuales industriales pueden contener
sustancias tóxicas, pueden ser deficitarias en nutrientes, altas cargas orgánicas, extremos pH y otras sustancias que pueden afectar en gran medida el funcionamiento de la EDAR urbana.
En Aragón, el Decreto 38/2004, de 24 de febrero, por
el que se aprueba el Reglamento de los vertidos de
aguas residuales a las redes municipales de alcantari-
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alcantarillado, protegiendo de esta manera el funcionamiento de las estaciones depuradoras receptoras
de estas aguas residuales.
Un agua bruta a la entrada de la planta contiene distintos tipos de sustancias: sólidos gruesos, sólidos sedimentables, grasas, sólidos en suspensión (SS), sólidos
disueltos, nitrógeno, fósforo y gérmenes patógenos.
Los sólidos gruesos son restos de papel, cartón, plásticos, trapos, restos de comida, etc.
Los sólidos sedimentables son principalmente arenas.
Los sólidos en suspensión y sólidos disueltos pueden
estar presentes en un porcentaje menor del 0.02% en
peso. Los sólidos pueden tener naturaleza orgánica e
inorgánica. Los sólidos orgánicos tienen su origen en los
desechos de animales, plantas y del hombre. Estos sólidos se pudren y se descomponen; es materia biodegradable. Las EDARs se diseñan para eliminar estos sólidos. Los sólidos inorgánicos no se degradan.
Otro constituyente importante de las aguas residuales
es el nitrógeno. El nitrógeno está en forma de nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitratos y nitritos. El
nitrógeno total (NT) es la suma de todos los anteriores. Un agua doméstica típica contiene de 2590mgNT/l.
La DBO5 y la DQO son medidas indirectas de la cantidad de materia orgánica que lleva el agua, la primera
relativa a sustancias orgánicas biodegradables y la
segunda relativa a materia orgánica total. Estos dos
parámetros son importantísimos para evaluar la carga
orgánica que entra en la planta, al proceso biológico y
la que vuelve al río receptor. Concentraciones típicas
en un agua residual doméstica son las que se indican
en la figura adjunta.
Los microorganismos necesitan nitrógeno para vivir y
reproducirse. Si hay déficit de este nutriente en el
agua residual que se va a tratar, podría haber problemas en el tratamiento secundario de la planta, basado
en una depuración biológica.
Al igual que el nitrógeno, el fósforo es esencial para el
crecimiento de microorganismos. En las aguas residuales el fósforo se encuentra en forma de ortofosforoso, polifosforoso y fosfatos orgánicos. La suma de
las tres especies se denomina fósforo total (PT).
Las aguas residuales domésticas tienen una media
de 2-15mgPT/l. Junto con el nitrógeno, sirve de
nutriente de las algas situadas en las aguas receptoras y puede, si las circunstancias son favorables,
provocar problemas de eutrofización. Este crecimiento excesivo de las algas en el cauce receptor
puede conducir a una disminución del oxígeno
disuelto y ocasionalmente a problemas graves de
contaminación.
En consecuencia, y dependiendo del lugar al que se
realiza el vertido final, algunas EDARs deberán disponer de tratamientos que reduzcan los niveles de NT
y/o PT en el agua depurada.
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Para evitar la contaminación del medio hídrico natural,
las EDARs se diseñan para cumplir con dos objetivos
fundamentales:
1. Cumplir los límites de vertido establecidos por la
legislación vigente (Directiva 91/271/CEE). Ver tabla
adjunta de límites de vertido de una EDAR.
2. Cumplir con los objetivos de Calidad o Normas de
calidad, del cauce receptor.
Para ello, una EDAR puede disponer de:
PRETRATAMIENTO. Tratamiento superficial del agua,
utilizado para eliminar los sólidos gruesos, sólidos
más finos, arenas, grasas y flotantes.
TRATAMIENTO PRIMARIO. (Definición según la
Directiva 91/271/CEE). Tratamiento físico y/o químico, que incluye la sedimentación de SS u otros
procesos, en los que la DBO5 de las aguas que
entran se reduzca al menos un 20% antes del vertido y los SS se reduzcan al menos en un 50%.
TRATAMIENTO SECUNDARIO. (Definición según la
Directiva 91/271/CEE). Tratamiento de aguas
mediante un proceso que incluya, por lo general, un
tratamiento biológico con sedimentación secundaria, u otro proceso en el que se respeten los límites
de vertido de la Directiva 91/271/CEE, sobre tratamiento de las aguas residuales urbanas.
TRATAMIENTO TERCIARIO. Tratamiento adicional
del agua, necesario para la eliminación de SS y
sustancias disueltas, que permanezcan en el agua
después del tratamiento secundario convencional.
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sión mediante decantación o precipitación química y
posteriormente, los sólidos biodegradables disueltos
mediante tratamiento biológico. Algunas plantas disponen de sistemas de eliminación de nitrógeno y/o
fósforo (WEF, 1998), sobre todo si el vertido se realiza a zonas sensibles (con propensión a ser eutróficas
o con elevada concentración de nitratos, superior a la
que establece la Directiva 75/440/CEE).
Procesos y etapas de una EDAR convencional
Desbaste
El agua bruta, la que entra a la planta, puede llevar
piedras, papel, trozos de metal, vidrio, palos, trapos,
recipientes, materiales de higiene personal, restos de
comida, etc. Son sólidos de gran tamaño o sólidos
gruesos. En muchos casos, con unas buenas prácticas, se podría evitar la introducción de algunos de
estos materiales al sistema de alcantarillado.
Todos estos materiales pueden provocar atascamiento en los colectores. Una vez en la planta, pueden
dañar bombas, provocar obturaciones en tuberías,
reducir el volumen efectivo de instalaciones, etc.,
repercutiendo en la eficacia del sistema de tratamiento y en el mantenimiento necesario. En consecuencia,
es muy importante eliminar esos sólidos a la entrada
de la planta, mediante el sistema de desbaste, con
rejas o tamices.
En la instalación, en primer lugar el agua se pasa a través de una reja de gruesos, con una distancia entre
barras de 50-100mm. Suelen ser estáticas y de limpieza manual. Posteriormente, rejas de limpieza automática con menor distancia entre barras y/o tamices,
separan los sólidos medios y más finos.
El material recogido se lleva a un contenedor y de ahí
al vertedero municipal.
Desarenado
Esquema general de una EDAR convencional
En general, las plantas depuradoras se construyen a la
orilla del río que va a recibir el vertido tratado, aguas
abajo de la ciudad y para evitar problemas de infiltración de las aguas del río, se construyen sobre el terreno (evitando las excavaciones).
Una planta de tratamiento de aguas residuales consiste en una instalación provista de una o varias de
las etapas que eliminan la contaminación del agua
(línea de aguas). Además, se necesita en la mayoría
de los casos tratar o acondicionar los fangos que se
generan en la planta como consecuencia del tratamiento. Dicho tratamiento constituye la línea de fangos o sólidos.
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Para llevar a cabo el tratamiento (Metcalf y Eddy,
1995), la planta puede disponer de operaciones físicas (aforo, desbaste, homogeneización, flotación, filtración...), procesos químicos (precipitación química,
adsorción, oxidación, neutralización...) o procesos
biológicos (tratamientos aerobios, tratamientos
anaerobios...).
Sin embargo, y a pesar de que la posibilidad en la
combinación de estas etapas es muy grande, la
mayor parte de las EDARs se diseñan con la estructura básica o convencional que se muestra en la figura.
Las primeras etapas incluyen la eliminación de sólidos
gruesos en el desbaste, el desarenado y el desengrasado. Posteriormente, se eliminan sólidos en suspen-
Después del desbaste, se deben eliminar los sólidos
sedimentables. La mayor parte de este material sedimentable lo constituyen las arenas, aunque también
se pueden encontrar trozos de vidrio de pequeño
tamaño, de huesos, de cáscara de huevo, pepitas,
posos de café, etc.
Las arenas no se eliminan en el desbaste y pueden
dañar los equipos de la planta por su efecto abrasivo.
Algunas veces, cuando hay grandes cantidades de
grasa en las aguas residuales, arenas y grasas se
agrupan y pueden atascar bombas o acumularse en
tanques o canales.
La función principal de un desarenador es eliminar
todo el material sedimentable posible sin incluir el
material orgánico (que se eliminará en la siguiente
etapa de tratamiento). La acumulación de los sólidos
orgánicos, podría generar problemas de olores y emisión de gases tóxicos.
Para llevar a cabo el desarenado, se pueden utilizar
desarenadores por gravedad o desarenadores aireados.
El desarenador por gravedad consiste en un
canal por el cual circula el agua por gravedad a
velocidad constante e igual a 0,3m/s, velocidad
que permite sedimentar a los sólidos inorgánicos más pesados y, por el contrario, los sólidos
orgánicos más ligeros son arrastrados por la
corriente.
El desarenador aireado tiene la misma función y forma que los anteriores, aunque tiene
una gran diferencia. En ellos se introduce un
pequeño caudal de aire mediante difusores
situados en el fondo del canal. Este aire introducido hace describir al agua y a las partículas
un camino en espiral, con una velocidad de
giro de 0,3m/s. En consecuencia, los tanques
son más cortos que los utilizados por gravedad. Otra ventaja adicional lo representa el
hecho de que si en el agua bruta hay grasas,
este pequeño caudal de aire provoca la separación de estas últimas de las arenas, favoreciendo su sedimentación.
Sea cual sea la forma de separación, las arenas se
acumulan en el fondo de las instalaciones y desde ahí
se extraen, manualmente o mediante un sistema de
bombeo un tornillo sinfín, etc). Las arenas recogidas
se lavan y se llevan al vertedero municipal.
Desengrasado
Los aceites y grasas presentes en las aguas brutas
pueden tener su origen en aguas residuales procedentes de restaurantes, garajes, gasolineras, industria de derivados lácteos, mataderos, churrerías, etc.
Las grasas deben eliminarse porque crean obstrucciones y ensuciamientos, originan perturbación en los
tratamientos biológicos e interfieren en la separación
de sólidos.
La separación de estas sustancias del agua se puede
realizar mediante:
Flotación natural, en la que la separación se
basa en la diferencia de densidad entre los distintos elementos. Los aceites y grasas más
ligeros tienden a subir a la superficie;
Flotación forzada o artificial, en la que
mediante la inyección de aire en el fondo del
tanque se favorece la ascensión de los aceites
o grasas. Cada vez es más utilizada.
Los desengrasadores son canales de sección rectangular a través de los cuales se hace circular lentamente el agua en régimen laminar. Las grasas quedan acumuladas en la parte superior, gracias a una chapa
deflectora que impide que se escapen y se eliminan de
manera manual o mediante sistemas automatizados
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(skimmer o barredoras de superficie), que empujan
las grasas a un canal lateral de una forma continua.
Las grasas separadas presentan una humedad muy
elevada (97-98%) y habitualmente se llevan a un tanque en el cual reposan (espesador de grasas) concentrándose todavía más. El agua separada regresa a
la línea de aguas y las grasas son consideradas
Residuo Peligroso por lo que su gestión debe realizarla un Gestor Autorizado.
Muy a menudo, se utiliza una misma instalación para
producir el desarenado y desengrasado. Se conoce
como desarenador-desengrasador. Una barredora
que se desplaza longitudinalmente por el tanque
empuja las arenas sedimentadas y las grasas que han
flotado, de manera secuencial.
Tratamiento primario
Los sólidos en suspensión o materia coloidal, son sólidos de menor tamaño, que no se eliminan en el pretratamiento y pasan al primario para su eliminación.
Entre otros sistemas, estos sólidos puede eliminarse
mediante:
1. Sedimentación (decantación).
2. Precipitación química, mediante sistemas de coagulación-floculación y posterior decantación.
Típicamente, una EDAR convencional dispone únicamente de uno o varios tanques de sedimentación
para separar del agua, la materia en suspensión por
decantación.
Si la velocidad del agua se reduce a menos de 0.3m/s,
la mayor parte de los sólidos más pesados sedimentan
y los más ligeros ascienden hasta la superficie. Esto
ocurre en el tanque de sedimentación primaria, denominado decantador primario, con forma rectangular
(de flujo horizontal) o circular (de flujo ascendente).
Algunas EDARs que reciben vertidos industriales discontinuos, utilizan sistemas de precipitación química
para aumentar el rendimiento de depuración. Este tratamiento consiste en añadir al agua determinados
reactivos químicos (coagulantes y floculantes) que
alteran el estado físico del agua, aunque este tratamiento resulta mucho más costoso, económicamente hablando.
Por definición, se denomina coagulación a la formación y desestabilización de coloides y floculación al
agrupamiento de coloides para formar flóculos, partículas con una determinada entidad que ya van a
ser capaces de precipitar. Los reactivos más utilizados en depuración son las sales de hierro y el hidróxido cálcico. De forma adicional, la adición de sales
de hierro puede utilizarse como sistema de eliminación del fósforo.
Tras la coagulación-floculación, un decantador primario separa el material sólido del agua.
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Ya se haya utilizado un proceso de sedimentación
simple o una precipitación química, los fangos sedimentados se extraen del decantador desde el fondo
del mismo y constituyen los fangos del primario. Una
barredora o rasqueta de superficie impide que salgan
de la instalación la materia flotante y en consecuencia,
salga el agua clarificada que pasará a tratamiento
secundario biológico.
Tratamiento secundario o biológico
La gran mayoría de EDARS disponen de este tipo de
sistemas de depuración, siendo el más utilizado el de
lodos activos o fangos activados.
Los lodos activos están constituidos básicamente por
bacterias, hongos y protozoos. Estos microorganismos crecen y se reproducen a base de metabolizar la
materia orgánica biodegradable presente en el agua
que se va a depurar, en un ambiente aerobio y en presencia de nutrientes (nitrógeno y fósforo).
Este fenómeno, totalmente natural, es el fundamento
del poder autodepurador que posee el agua de ríos,
lagos, embalses e incluso del mar. Se trata pues, de
reproducir dicho fenómeno en unas instalaciones, forzando las condiciones de operación para que la degradación se lleve a cabo lo más rápidamente posible;
esto es, con exceso de oxígeno, nutrientes y una gran
concentración de microorganismos depuradores. Se
consigue en unas horas lo que en la naturaleza se conseguiría en días o meses.
Para asegurar la clarificación de efluente tratado, el
éxito de un proceso de lodos activos radica tanto en
el proceso de metabolización como en el de floculación y posterior sedimentación.
Ciertas condiciones (déficit de oxígeno o de nutrientes, elevadas cargas de materia orgánica, presencia
de grasas, pH inadecuado, etc.) pueden favorecer la
presencia de microorganismos filamentosos que
generan problemas de bulking o fangos voluminosos
difíciles de decantar.
Las EDARs que reciben vertidos procedentes de la
industria agroalimentaria (conservera, elaboración
de vino, derivados lácteos, etc.), son especialmente susceptibles de tener fácilmente problemas de
este tipo en las instalaciones, ya que se trata habitualmente de vertidos discontinuos, deficitarios en
nutrientes y/o con altas cargas puntuales de materia orgánica, los cuales pueden afectar muy negativamente al funcionamiento del proceso. La instalación de una cámara de regulación del caudal o balsa
de homogeneización previa al tratamiento biológico, se considera totalmente imprescindible en
estos casos, para amortiguar picos de caudal y
carga orgánica.
Existen diversas modalidades de lodos activos.
Dentro de ellas, es muy utilizado el sistema de lodos
activos convencional, para grandes instalaciones y la
oxidación prolongada para pequeñas instalaciones. Su
principal diferencia radica en el tiempo de residencia
en el tanque de aireación: de 3-8 horas en el sistema
convencional y de 18-36h en aireación prolongada. En
estos últimos casos se favorece no sólo la eliminación
de materia orgánica carbonosa sino también la eliminación biológica de nitrógeno, mediante procesos de
nitrificación y desnitrificación.
Además de los sistemas aquí descritos en los que los
microorganismos se encuentran en suspensión (tratamientos en fase dispersa), otras EDARs disponen de
sistemas en película fija, en los cuales, los microorganismos se encuentran adheridos a un medio sólido, normalmente de material plástico, desde el cual degradan
la materia orgánica de forma similar a los lodos activos.
Son lechos biológicos, biodiscos o biocilindros.
Independientemente de la forma en la que se haya
realizado el tratamiento, el exceso de microorganismos generados y no recirculados al tanque de aireación, se extraen del mismo mediante un sistema de
purga, constituyendo los fangos del secundario.
El sistema de lodos activos consta de un tanque de
aireación y un decantador secundario.
En el tanque de aireación se introducen:
1. El efluente procedente del decantador primario, debe tener un pH neutro y estar exento de
sustancias tóxicas que puedan matar a los
microorganismos depuradores. Las aguas residuales urbanas poseen materia orgánica como
fuente de carbono para los microorganismos y
nitrógeno y fósforo como nutrientes.
2. Aire (mediante turbinas de superficie o difusores), para crear condiciones aerobias.
3. El reciclo del decantador secundario.
En el tanque de aireación ocurre realmente la degradación biológica de la materia orgánica. Los microorganismos se reproducen y se agrupan formando fóculos, entidades de mayor tamaño y que tienen capacidad para sedimentar. Estos flóculos, o sólidos en suspensión, se separan del agua en el decantador secundario, normalmente un decantador circular de características similares a los utilizados para el tratamiento
primario, aunque utilizando un mayor tiempo de residencia. Para asegurar que exista una elevada concentración de microorganismos, los fangos decantados
se recirculan parcialmente hacia el tanque de aireación (reciclo del decantador secundario).
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Línea de fangos
Los fangos del primario unidos a los fangos del secundario se suelen tratar en la misma EDAR, constituyendo la línea de fangos o sólidos.
Aunque existen muchas posibilidades, un tratamiento
convencional puede incluir su concentración, su estabilización y una posterior deshidratación, hasta obtener un material sólido que puede tener aplicación
como abono en agricultura, siempre y cuando cumpla
con los requisitos establecidos en Real Decreto
1310/1990, por el que se regula la utilización de los
lodos de depuración en el sector agrario.
La concentración se suele realizar en un decantador
circular cerrado (para evitar la emisión de olores), que
se denomina espesador de fangos. Su objetivo es
reducir el porcentaje de humedad de los mismos.
Un tratamiento biológico mediante digestión anaerobia suele utilizarse para estabilizar los fangos.
En tanques herméticamente cerrados se introduce el
lodo y allí microorganismos “diferentes” a los utilizados en el tratamiento secundario, son capaces, en
ausencia de oxígeno, de metabolizar la materia orgánica presente. El proceso de asimilación provoca la
emisión de gases como el dióxido de carbono, el
metano, el sulfuro de hidrógeno y otros que hay que
captar y evacuar. Normalmente, la combustión del
metano producido, sirve para mantener una temperatura de 30-38ºC, óptima para el tratamiento.
La deshidratación final (mediante filtro banda, filtro
prensa, centrifugación, etc.), trata de reducir el contenido de humedad del lodo, de forma que pueda procesarse como un semisólido o un sólido, para posteriormente ser enviado a su destino final
REFERENCIAS
DECRETO 38/2004, DE 24 DE FEBRERO, DEL GOBIERNO DE ARAGÓN, por el que se aprueba el Reglamento de los vertidos
de aguas residuales a las redes municipales de alcantarillado. BOA nº30, de 10/03/2004.
DIRECTIVA DEL CONSEJO DE LA UNIÓN EUROPEA 75/440/CEE, DE 16 DE JUNIO DE 1975, relativa a la calidad requerida
para la producción de las aguas superficiales destinadas a la producción de agua potable en los Estados Miembros. DOCE nº
L194, de 25/07/75.
DIRECTIVA DEL CONSEJO DE LA UNIÓN EUROPEA 91/271/CEE, DE 21 DE MAYO DE 1991, sobre el tratamiento de las Aguas
Residuales Urbanas. DOCE nº L135, de 30/05/91.
METCALF Y EDDY (1995). Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento, vertido reutilización. Ed. Mc. Graw-Hill.
REAL DECRETO 1310/1990, DE 29 DE OCTUBRE DE 1990, por el que se regula la utilización de los lodos de depuración en el
sector agrario. BOE nº 262, de 1 de noviembre de 1990.
WATER ENVIRONMENT FEDERATION (1998). Design of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice nº8,
Alexandria, Va.; Am. Soc. Civ.Eng., Manual and Report on Engineering Practice Nº76, New York, N.Y. 4th.ed.
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