Tratamientos industriales de aguas

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Tratamientos industriales de aguas

  1. 1. Jesús Baudelio Campos GarcíaTRATAMIENTOSINDUSTRI ALES DEL AGUAINTRODUCCIÓN El 59% del consumo total de agua en los países desarrollados se destina a usoindustrial, el 30% a consumo agrícola y un 11% a gasto doméstico, según se constataen el primer informe de Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hídricosdel mundo, Agua para todos, agua para la vida (marzo 2003). En 2025, el consumode agua destinada a uso industrial alcanzará los 1.170 km3 / año, cifra que en 1995se situaba en 752 km3 / año. El sector productor no sólo es el que más gasta,también es el que más contamina. Más de un 80% de los deshechos peligrosos delmundo se producen en los países industrializados, mientras que en las naciones envías de desarrollo un 70% de los residuos que se generan en las fábricas se vierten alagua sin ningún tipo de tratamiento previo, contaminando así los recursos hídricosdisponibles.Estos datos aportan una idea de la importancia que tiene el tratamiento y lareutilización de aguas residuales en el sector industrial en el mundo, y más aún enpaíses que saldan su balance de recursos hídricos con números rojos. Es el caso deEspaña, la nación europea con mayor déficit hídrico. ¿Qué són las aguas industriales? Aguas residuales industriales: Todas las aguas residuales vertidas desde locales utilizados para efectuar cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial.Los compuestos orgánicos e inorgánicos se encuentran en aguas residualesprocedentes de instalaciones industriales diversas. A diferencia de las aguasresiduales domésticas, los efluentes industriales contienen con frecuencia sustanciasque no se eliminan por un tratamiento convencional, bien por estar enconcentraciones elevadas, o bien por su naturaleza química. Muchos de loscompuestos orgánicos e inorgánicos que se han identificado en aguas residualesindustriales son objeto de regulación especial debido a su toxicidad o a sus efectosIngeniería de Servicios Auxiliares
  2. 2. 2 Tratamientos Industriales del Aguabiológicos a largo plazo.El control de la contaminación del agua producida por las actividades industrialescomenzó con la aprobación por el Congreso de los Estados Unidos de la enmiendade 1972 a la “Federal WaterPollution Control Act”, que estableció un sistemanacional de descarga y eliminación de contaminantes. Las enmiendas de 1977 y1987, conocidas como “CleanWaterAct” y “WaterQualtyAct”, completan laregulación legal norteamericana. La tendencia en Europa y, por tanto en España,especialmente tras la promulgación de la Ley 16/2002 de prevención y controlintegrado de la contaminación y la puesta en marcha del EPER-España, es reducir elvertido de algunos contaminantes específicos y emplear sistemas avanzados detratamiento de aguas residuales “in situ”. Entre las principales sustanciascontaminantes, de acuerdo a la citada ley 16/2002, que se tomaránobligatoriamente en consideración para fijar valores límite de emisiones a las aguasse encuentran: 
 Compuestos órgano-halogenados y sustancias que puedan generarlos en el medio acuático. Sustancias y preparados cuyas propiedades cancerígenas, o mutagénicas, que puedan afectar a la reproducción en el medio acuático. Hidrocarburos persistentes y sustancias orgánicas tóxicas persistentes y bioacumulables. Cianuros. Biocidas y productos fitosanitarios. Sustancias que ejercen una influencia desfavorable sobre el balance de oxígeno (computables mediante parámetros agregados tales como DBO, DQO).Las Tabla 1.1 y 1.2 muestran la clasificación, por sectores de actividad industrial, delos principales compuestos contaminantes en agua junto con el porcentaje departicipación en las emisiones directas en la UE (se han omitido porcentajes inferioresal 10%). 2 Tratamientos Industriales del Agua
  3. 3. Jesús Baudelio Campos GarcíaIngeniería de Servicios Auxiliares
  4. 4. 4 Tratamientos Industriales del Agua4 Tratamientos Industriales del Agua
  5. 5. Jesús Baudelio Campos GarcíaLos tratamientos a los que se deben someter los efluentes tienen que garantizar laeliminación o recuperación del compuesto orgánico en el grado requerido por lalegislación que regula el vertido del efluente o para garantizar las condicionesmínimas del proceso en el caso de reutilización o recirculación de la corriente parauso interno. El nivel máximo admisible de contaminante puede conseguirsemediante la utilización de diversas técnicas tanto destructivas como no destructivas(2.1).TRATAMIENTO PRELIMINAR.ELIMINACIÓN DE MATERIAEN SUSPENSIÓNLa materia en suspensión puede ser de muy diversa índole, desde partículas devarios centímetros y muy densas (normalmente inorgánicas), hasta suspensionescoloidales muy estables y con tamaños de partícula de hasta unos pocosnanómetros (normalmente de naturaleza orgánica). También la concentración deIngeniería de Servicios Auxiliares
  6. 6. 6 Tratamientos Industriales del Agualos mismos, tanto en el agua a tratar como en el agua una vez tratada, juega unpapel fundamental a la hora de la elección del tratamiento más conveniente.Las operaciones para eliminar este tipo de contaminación de aguas suelen ser lasprimeras en efectuarse, dado que la presencia de partículas en suspensión suele noser indeseable en muchos otros procesos de tratamiento.La eliminación de esta materia en suspensión se suele hacer mediante operacionesmecánicas. Sin embargo, en muchos casos, y para favorecer esa separación, seutilizan aditivos químicos, denominándose en este caso tratamientos químico-físicos.A continuación se describen las operaciones unitarias más habituales. La utilizaciónde una u otra es función de las características de las partículas (tamaño, densidad,forma, etc.) así como de la concentración de las mismas. DESBASTEEs una operación en la que se trata de eliminar sólidos de mayor tamaño que el quehabitualmente tienen las partículas que arrastran las aguas. El objetivo es eliminarlosy evitar que dañen equipos posteriores del resto de tratamientos. Suele ser untratamiento previo a cualquier otro.El equipo que se suele utilizar son rejas por las que se hace circular el agua,construidas por barras metálicas de 6 o más mm, dispuestas paralelamente yespaciadas entre 10 y 100 mm. Se limpian con rastrillos que se accionannormalmente de forma mecánica.En otros casos, si el tipo de sólidos lo permite, se utilizan trituradoras, reduciendo eltamaño de sólidos y separándose posteriormente por sedimentación u otrasoperaciones. SEDIMENTACIÓNOperación física en la que se aprovecha la fuerza de la gravedad que hace queuna partícula más densa que el agua tenga una trayectoria descendente,depositándose en elfondo del sedimentador. Esta operación será más eficaz cuanto mayor sea eltamaño y la densidad de las partículas a separar del agua, es decir, cuanto mayorsea su velocidad de sedimentación, siendo el principal parámetro de diseño paraestos equipos. A esta operación de sedimentación se le suele denominar tambiéndecantación.Realmente, este tipo de partículas (grandes y densas, como las arenas) se tienen enpocas ocasiones en aguas industriales. Lo más habitual es encontrar sólidos pocodensos, por lo que es necesario, para hacer más eficaz la operación, llevar a cabouna coagulación-floculación previa, que como se explicará más adelante, consisteen la adición de ciertos reactivos químicos para favorecer el aumento del tamaño ydensidad de las partículas. 6 Tratamientos Industriales del Agua
  7. 7. Jesús Baudelio Campos GarcíaLa forma de los equipos donde llevar a cabo la sedimentación es variable, enfunción de las características de las partículas a sedimentar (tamaño, forma,concentración, densidad, etc..).· Sedimentadores rectangulares:La velocidad de desplazamiento horizontal delagua es constante y se suelen utilizar para separar partículas densas y grandes(arenas). Este tipo de sedimentación se denomina discreta, dado que las partículasno varían sus propiedades físicas a lo largo del desplazamiento hacia el fondo delsedimentador. Suelen ser equipos poco profundos, dado que, al menosteóricamente, este parámetro no influye en la eficacia de la separación, siendo elprincipal parámetro el área horizontal del mismo.· Sedimentadores circulares:Son más habituales. En ellos el flujo de agua suele serradial desde el centro hacia el exterior, por lo que la velocidad de desplazamientodel agua disminuye al alejarnos del centro del sedimentador. Esta forma de operares adecuada cuando la sedimentación va acompañada de una floculación de laspartículas, en las que el tamaño de flóculo aumenta al descender las partículas, ypor lo tanto aumenta su velocidad de sedimentación.· Sedimentadoreslamelares:Han surgido como alternativa a los sedimentadortespoco profundos, al conseguirse una mayor área de sedimentación en el mismoespacio. Consisten en tanques de poca profundidad que contienen paquetes deplacas (lamelas) o tubos inclinados respecto a la base, y por cuyo interior se hacefluir el agua de manera ascendente. En la superficie inferior se van acumulando laspartículas, desplazándose de forma descendente y recogiéndose en el fondo delsedimentador.Las partículas depositadas en el fondo de los equipos (denominados fangos) searrastran mediante rasquetas desde en fondo donde se “empujan” hacia la salida.Estos fangos, en muchas ocasiones y en la misma planta de tratamiento, se sometena distintas operaciones para reducir su volumen y darles un destino final. FILTRACIÓNLa filtración es una operación en la que se hace pasar el agua a través de un medioporoso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia ensuspensión. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, dealtura variable, dispuesta en distintas capas de distinto tamaño de partícula, siendola superior la más pequeña y de entre 0.15 y 0.3 mm. Es una operación muy utilizadaen el tratamiento de aguas potables, así como en el tratamiento de aguas parareutilización, para eliminar la materia en suspensión que no se ha eliminado enanteriores operaciones (sedimentación). En aguas industriales hay mas variedad encuanto al material filtrante utilizado, siendo habitual el uso de Tierra de Diatomeas.También es habitual, pera mejorar la eficacia, realizar una coagulación-floculaciónprevia.Hay muchas maneras de clasificar los sistemas de filtración: Por gravedad ó apresión, lenta ó rápida, de torta ó en profundidad.· Filtración por gravedad:El agua circula verticalmente y en descenso a través delIngeniería de Servicios Auxiliares
  8. 8. 8 Tratamientos Industriales del Aguafiltro por simple gravedad. Dentro de este tipo, podemos hablar de dos formas deoperar, que nos lleva a tener una filtración lenta, apenas utilizados actualmente, ouna filtración rápida. El mecanismo de la separación de sólidos es una combinaciónde asentamiento, retención, adhesión y atracción, por lo que se eliminan partículasmucho menores que el espacio intersticial. Es un sistema muy utilizado entratamiento para aguas potables.· Filtración por presión. Normalmente están contenidos en recipientes y el agua se veforzada a atravesar el medio filtrante sometida a presión. También en este casopuede haber filtración lenta, en la que en la superficie del filtro se desarrolla unatorta filtrante donde la filtración, a través de esa superficie, es por mecanismos físicosy biológicos. Por otro lado, en la filtración rápida se habla de filtración enprofundidad, es decir, cuando la mayor parte de espesor de medio filtrante estáactivo para el proceso de filtración y la calidad del filtrado mejora con laprofundidad. Esta filtración a presión se suele utilizar más en aguas industriales.En la actualidad y en algunas de sus aplicaciones, estos métodos están siendodesplazados por operaciones con membranas, especialmente por microfiltración,de las que se hablará en el capítulo correspondiente.TRATAMIENTO PRIMARIO. FLOTACIÓNOperación física que consiste en generar pequeñas burbujas de gas (aire), que seasociarán a las partículas presentes en el agua y serán elevadas hasta la superficie,de donde son arrastradas y sacadas del sistema. Obviamente, esta forma deeliminarmateria en suspensión será adecuada en los casos en los que las partículas tenganuna densidad inferior o muy parecida a la del agua, así como en el caso deemulsiones, es decir, una dispersión de gotas de un liquido inmiscible, como en elcaso de aceites y grasas. En este caso las burbujas de aire ayudan a “flotar” másrápidamente estas gotas, dado que generalmente la densidad de estos líquidos esmenor que la del agua.En esta operación hay un parámetro importante a la hora del diseño: La relaciónaire/sólidos, ml/l de aire liberados en el sistema por cada mg/l de concentración desólidos en suspensión contenidos en el agua a tratar. Es un dato a determinarexperimentalmente y suele tener un valor óptimo comprendido entre 0.005 y 0.06.En el tratamiento de aguas se utiliza aire como agente de flotación, y en función decómo se introduzca en el liquido, se tienen dos sistemas de flotación:· Flotación por aire disuelto(DAF): En este sistema el aire se introduce en el aguaresidual bajo una presión de varias atmósferas. Los elementos principales de estosequipos son la bomba de presurización, el equipo de inyección de aire, el tanquede retención o saturador y la unidad de flotación propiamente dicha, donde tienelugar la reducción brusca de la presión, por lo que el aire disuelto se libera, 8 Tratamientos Industriales del Agua
  9. 9. Jesús Baudelio Campos Garcíaformando multitud de microburbujas de aire.· Flotación por aire inducido: La operación es similar al caso anterior, pero lageneración de burbujas se realiza a través de difusores de aire, normalmentesituados en la parte inferior del equipo de flotación, o bien inducidas por rotores oagitadores. En este caso el tamaño de las burbujas inducidas es mayor que en elcaso anterior.Históricamente la flotación se ha utilizado para separar la materia sólida o liquidaflotante, es decir, con una menor densidad que el agua. Sin embargo la mejora enla generación de burbujas adecuadas y la utilización de reactivos para favorecer laoperación (por ejemplo sustancias que disminuyen la tensión superficial) ha hechoposible la utilización de esta operación para la eliminación de materia más densaque el agua. Así se utiliza en el tratamiento de aguas procedentes de refinerías,industria de la alimentación, pinturas, etc. Una típica aplicación es también, aunqueno sea estrictamente tratamiento de aguas, el espesado de fangos. En estaoperación se trata de “espesar” o concentrar los fangos obtenidos en operacionescomo la sedimentación. COAGULACIÓN-FLOCULACIÓNComo ya se ha mencionado en varias ocasiones, en muchos casos parte de lamateria en suspensión puede estar formada por partículas de muy pequeño tamaño(10-6 – 10-9 m), lo que conforma una suspensión coloidal. Estas suspensionescoloidales suelen ser muyestables, en muchas ocasiones debido a interaccioneseléctricas entre las partículas. Por tanto tienen una velocidad de sedimentaciónextremadamente lenta, por lo que haría inviable un tratamiento mecánico clásico.Una forma de mejorar la eficacia de todos los sistemas de eliminación de materia ensuspensión es la adición de ciertos reactivos químicos que, en primer lugar,desestabilicen la suspensión coloidal (coagulación) y a continuación favorezcan lafloculación de las mismas para obtener partículas fácilmente sedimentables. Es unaoperación que se utiliza a menudo, tanto en el tratamiento de aguas residualesurbanas y potables como en industriales (industria de la alimentación, pasta depapel, textiles, etc.)Los coagulantes suelen ser productos químicos que en solución aportan cargaeléctrica contraria a la del coloide. Habitualmente se utilizan sales con cationes dealta relación carga/masa (Fe3+, Al3+) junto con polielectrolitos orgánicos, cuyoobjetivo también debe ser favorecer la floculación:· Sales de Fe3+:Pueden ser Cl3Fe o Fe2(SO4)3, con eficacia semejante. Se puedenutilizar tanto en estado sólido como en disoluciones. La utilización de una u otra estáen función del anión, si no se desea la presencia de cloruros o sulfatos.· Sales de Al3+:Suele ser Al2(SO4)3 o policloruro de aluminio. En el primer caso es másmanejable en disolución, mientras que en el segundo presenta la ventaja de mayorporcentaje en peso de aluminio por kg dosificado.· Polielectrolitos:Pueden ser polímeros naturales o sintéticos, no iónicos(poliacrilamidas) aniónicos (ácidos poliacrílicos) o catiónicos (polivinilaminas). LasIngeniería de Servicios Auxiliares
  10. 10. 10 Tratamientos Industriales del Aguacantidades a dosificar son mucho menores que para las sales, pero tanto la eficaciacomo el coste es mucho mayor. PRECIPITACIÓNConsiste en la eliminación de una sustancia disuelta indeseable, por adición de unreactivo que forme un compuesto insoluble con el mismo, facilitando así sueliminación por cualquiera de los métodos descritos en la eliminación de la materiaen suspensión.Algunos autores incluyen en este apartado la coagulación-floculación. Sin embargo,eltérmino precipitación se utiliza mas para describir procesos como la formación desalesinsolubles, o la transformación química de un ión en otro con mayor o menor estadodeoxidación que provoque la formación de un compuesto insoluble.Un reactivo de muy frecuente uso en este tipo de operaciones es el Ca2+, dada lagran cantidad de sales insolubles que forma, por ejemplo es el método utilizadopara la eliminación de fosfatos (nutriente). Además posee cierta capacidadcoagulante, lo que hace su uso masivo en aguas residuales urbanas y muchasindustriales de características parecidas. PROCESOS ELECTROQUÍMICOSEstá basado en la utilización de técnicas electroquímicas, haciendo pasar unacorriente eléctrica a través del agua (que necesariamente ha de contener un 1 Tratamientos Industriales del Agua 0
  11. 11. Jesús Baudelio Campos Garcíaelectrolito) y provocando reacciones de oxidación-reducción tanto en el cátodocomo en el ánodo. Por tanto se utiliza energía eléctrica como vector dedescontaminación ambiental, siendo su coste uno de las principales desventajas deeste proceso. Sin embargo como ventajas cabe destacar la versatilidad de losequipos, la ausencia tantode la utilización de reactivos como de la presencia defangos y la selectividad, pues controlar el potencial de electrodo permiteseleccionar la reacción electroquímica dominante deseada.Las consecuencias de las reacciones que se producen pueden ser indirectas, comoen el caso de la electrocoagulación, electroflotación o electrofloculación, dondelos productos formados por electrolisis sustituyen a los reactivos químicos, y suponeuna alternativa con futuro a la clásica adición de reactivos.Sin embargo, la aplicación que está tomando un auge importante es en eltratamiento de aguas residuales industriales, a través de una oxidación ó reduccióndirecta.· Oxidación en ánodo:En el ánodo se puede producir la oxidación de loscompuestos a eliminar, tanto orgánicos como inorgánicos. Esta oxidación se puedeproducir directamente por una transferencia de electrones en la superficie delánodo o bien por la generación de un agente oxidante in-situ. En este último caso seevita manipular agentes oxidantes. Entre las aplicaciones de la oxidación directacabe destacar el tratamiento de cianuros, colorantes, compuestos orgánicos tóxicos(en algunas ocasiones haciéndolos más biodegradables), incluso la oxidación deCr(III) a Cr(VI), más tóxico pero que de esta forma puede ser reutilizado. En rango deconcentraciones con posibilidades de utilizar este tipo de tratamiento también esmuy amplio.· Reducción en cátodo:La principal aplicación de esta posibilidad es la reducción demetales tóxicos. Se ha utilizado en situaciones, no poco frecuentes, de reducción demetales catiónicos desde varios miles de ppm’s de concentración hasta valoresincluso por debajo de la ppm. Hay una primera etapa de deposición del metalsobre la superficie del cátodo que ha de continuarse con la remoción del mismo.Esto se puede hacer por raspado, disolución en otra fase, etc.El reactor electroquímico utilizado suele ser de tipo filtro-prensa, semejante a las pilasde combustible. Este sistema permite un crecimiento modular del área. Básicamentecada módulo se compone de un elemento catódico de bajo sobrevoltaje ahidrógeno (Pt, Au, Acero Inoxidable, Ni,..) y un elemento anódico que utiliza comobase óxidos de metales nobles. INTERCAMBIO IÓNICOEs una operación en la que se utiliza un material, habitualmente denominado resinasde intercambio iónico, que es capaz de retener selectivamente sobre su superficielos iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, ylos cede frente a una disolución con un fuerte regenerante.La aplicación habitual de estos sistemas, es por ejemplo, la eliminación de salescuando se encuentran en bajas concentraciones, siendo típica la aplicación para laIngeniería de Servicios Auxiliares
  12. 12. 12 Tratamientos Industriales del Aguadesmineralización y el ablandamiento de aguas, así como la retención de ciertosproductos químicos y la desmineralización de jarabes de azúcar.Las propiedades que rigen el proceso de intercambio iónico y que a la vezdeterminan sus características principales son las siguientes: Las resinas actúan selectivamente, de forma que pueden preferir un ión sobre otro con valores relativos de afinidad de 15 o más. La reacción de intercambio iónico es reversible, es decir, puede avanzar en los dos sentidos. En la reacción se mantiene la electroneutralidad. 
 Hay sustancia naturales (zeolitas) que tienen capacidad de intercambio, pero en las industrias se utilizan resinas poliméricas de fabricación sintética con muy claras ventajas de uso. ADSORCIÓNEl proceso de adsorción consiste en la captación de sustancias solubles en lasuperficie de un sólido. Un parámetro fundamental es este caso será la superficieespecífica del sólido, dado que el compuesto soluble a eliminar se ha de concentraren la superficie del mismo. La necesidad de una mayor calidad de las aguas estáhaciendo que este tratamiento esté en auge. Es considerado como un tratamientode refino, y por lo tanto al final de los sistemas de tratamientos más usuales,especialmente con posterioridad a un tratamiento biológico. 1 Tratamientos Industriales del Agua 2
  13. 13. Jesús Baudelio Campos García Elsólido universalmente utilizado en el tratamiento de aguas es el carbón activo,aunque recientemente se están desarrollando diversos materiales sólidos quemejoran, en ciertas aplicaciones, las propiedades del carbón activo.Hay dos formas clásicas de utilización de carbón activo, con propiedades diferentesy utilizado en diferentes aplicaciones:· Carbón activado granular (GAC). Se suele utilizar una columna como medio decontacto entre el agua a tratar y el carbón activado, en la que el agua entra por laparte inferior y asciende hacia la superior. El tamaño de partícula en este caso esmayor que en el otro. Se suele utilizar para eliminar elementos traza, especialmenteorgánicos, que pueden estar presentes en el agua, y que habitualmente hanresistido un tratamiento biológico. Son elementos, que a pesar de su pequeñaconcentración, en muchas ocasiones proporcionan mal olor, color o sabor al agua.· Carbón activo en polvo (CAP).Este tipo de carbón se suele utilizar en procesosbiológicos, cuando el agua contiene elementos orgánicos que pueden resultartóxicos. También se suele añadir al agua a tratar, y pasado un tiempo de contacto,normalmente con agitación, se deja sedimentar las partículas para su separaciónprevia. Suelen ser operaciones llevadas a cabo en discontinuo.TRATAMIENTO SECUNDARIO. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOSConstituyen una serie de importantes procesos de tratamiento que tienen en comúnla utilización de microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar acabo la eliminación de componentes indeseables del agua, aprovechando laactividad metabólica de los mismos sobre esos componentes. La aplicacióntradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tantosoluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienenelementos nutrientes (N y P). Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en elcaso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales.En la mayor parte de los casos, la materia orgánica constituye la fuente de energía yde carbono que necesitan los microorganismos para su crecimiento. Además,también es necesaria la presencia de nutrientes, que contengan los elementosesenciales para el crecimiento, especialmente los compuestos que contengan N yIngeniería de Servicios Auxiliares
  14. 14. 14 Tratamientos Industriales del AguaP, y por último, en el caso de sistema aerobio, la presencia de oxígeno disuelto en elagua. Este último aspecto será clave a la hora de elegir el proceso biológico másconveniente.En el metabolismo bacteriano juega un papel fundamental el elemento aceptor deelectrones en los procesos de oxidación de la materia orgánica. Este aspecto,además, tiene una importante incidencia en las posibilidades de aplicación altratamiento de aguas. Atendiendo a cual es dicho aceptor de electronesdistinguimos tres casos:· Sistemas aerobios:La presencia de O2 hace que este elemento sea el aceptor deelectrones, por lo que se obtienen unos rendimientos energéticos elevados,provocando un importante generación de fangos, debido al alto crecimiento de lasbacterias aerobias. Su aplicación a aguas residuales puede estar muy condicionadapor la baja solubilidad del oxígeno en el agua.· Sistemas anaerobios:En este caso el aceptor de electrones puede ser el CO2 oparte de la propia materia orgánica, obteniéndose como producto de estareducción el carbono es su estado mas reducido, CH4. La utilización de este sistema,tendría, como ya se explicará, como ventaja importante, la obtención de un gascombustible.· Sistemas anóxicos:Se denominan así los sistemas en los que la ausencia de O2 y lapresencia de NO - hacen que este último elemento sea el aceptor deelectrones,3
 transformándose, entre otros, en N2, elemento completamente inerte.Por tanto esposible, en ciertas condiciones, conseguir una eliminación biológica denitratos (desnitrificación).Teniendo en cuenta todos estos aspectos, existe una gran variedad de formas deoperar, dependiendo de las características del agua, así como de la cargaorgánica a tratar.Procesos biológicos aerobiosSon muchas las posibilidades de tratamiento: Cultivos en suspensión: Proceso de fangos activados (lodos activados), y modificaciones en la forma de operar: aireación prolongada, contacto- estabilización, reactor discontinuo secuencial (SBR). Cultivos fijos: Los microorganismos se pueden inmovilizar en la superficie de sólidos (biomasa soportada), destacando los filtros percoladores (también conocido como lechos bacterianos o filtros biológicos). Fangos activados: Proceso básico 
 Consiste en poner en contacto en un medio aerobio, normalmente en una balsa aireada, el agua residual con flóculos biológicos previamente formados, el los que se adsorbe la materia orgánica y donde es degradada por las bacterias presentes. Junto con el proceso de degradación, y para separar los flóculos del agua, se ha de llevar a cabo una sedimentación, donde se realiza un recirculación de parte de los fangos, para mantener una elevada concentración de microorganismos en el interior de reactor, además de una purga equivalente a la cantidad crecida de organismos. Un esquema simplificado se muestra en la figura 2.1 1 Tratamientos Industriales del Agua 4
  15. 15. Jesús Baudelio Campos GarcíaDentro de los parámetros básicos de funcionamiento, un parámetro muy importantees el de la aireación. La solubilidad del oxígeno en el agua es pequeña (en torno a8-9 mgO2/l dependiendo de presión y temperatura) por lo que será necesarioasegurar el suministro a los microorganismos, utilizando aireadores superficiales,capaces de suministrar 1 kgO2/kW·h, o bien difusores. El valor mínimo de operaciónaconsejable de concentración de oxígeno disuelto es de 2 mg/l. El consumoeléctrico en esta operación será importante dentro de los costes de operación delproceso.Otro parámetro clave en el proceso se refiere al parámetro A/M, algunas vecesdenominada I, intensidad de carga. Se refiere a la relación entre la carga orgánicaalimentada y la cantidad de microorganismos disponibles en el sistema, conunidades kgDBO5( o DQO) / kgSSV·día. Es un parámetro de diseño fundamental,teniendo un valor óptimo entre 0.3-0.6 para las condiciones más convencionales defuncionamiento. Además tiene una influencia determinante en la buenasedimentación posterior.La denominada “edad celular” también es un parámetro importante. Se refiere altiempo medio que permanecen los fangos (flóculos, microorganismos) en el interiordel sistema. Esta magnitud suele tener un valor de 5-8 días en condicionesconvencionales de operación.TRATAMIENTO TERCIARIO OPCIONES MÁS USUALESEn la Figura 11 se muestran diversos esquemas de tratamiento terciario condiferentes opciones de tratamiento, dependiendo de la calidad de aguaregenerada que queramos obtener y del agua depurada que tengamos pararegenerar. OSMOSIS INVERSAEl fundamento de la ósmosis inversa (OI), también llamada hiperfiltración, es aplicara una solución salina una presión superior a su presión osmótica (de ahí el nombrede ósmosis inversa) con el fin de forzar al agua a pasar a través de una membranasemipermeable, separándola así de las sales que contiene. La OI permite laIngeniería de Servicios Auxiliares
  16. 16. 16 Tratamientos Industriales del Aguaseparación de unas sustancias tan pequeñas como iones inorgánicos.En la práctica, la presión utilizada en la ósmosis inversa es entre 5 y 20 veces lapresión osmótica. La presión de filtración de ósmosis inversa varía entonces enfunción de la cantidad de sales que contenga el agua, del porcentaje de rechazoque se busque, y de la propia tecnología de la membrana.En forma simplificada (Figura 12), si aplicamos la presión suficiente al agua dealimentación que ingresa en el equipo, se producen dos corrientes de flujo continuo:una de permeado o producto y otra de concentrado o rechazo. La corriente deconcentrado, de mayor conductividad eléctrica (debido a su contenido de sales)es habitualmente descartada, en tanto que el producto será agua prácticamentelibre de sales. 1 Tratamientos Industriales del Agua 6
  17. 17. Jesús Baudelio Campos GarcíaLa ósmosis inversa es el nivel de filtración más fino disponible en la actualidad. Unamembrana semipermeable actúa como barrera para toda clase de sales disueltas,moléculas inorgánicas y orgánicas, pirógenos, materias coloidales submicrómcas,virus y bacterias. Se pueden remover entre el 90 y 99 % de los compuestos disueltos,dependiendo del diseño del sistema.Existen básicamente dos tecnologías de membranas de ósmosis inversa: Elementos en espiral (es la más utilizada actualmente). Elementos en fibra hueca (sólo fabricada por Dupont).Cada fabricante ofrece una amplia gama de membranas que varían en porcentajede rechazo, resistencias al cloro, resistencias a temperaturas y tamaños.Se le llama conversión o recuperación al porcentaje de agua de alimentación quesale como producto. La recuperación depende de: Límite de diseño de cada elemento o membrana. Nunca supera el 50 % por membrana. Limite de concentración de sales en el rechazo. Número de pasos. Caudal de rechazo. RAYOS LUZ UV La genos que finalme n celular y causan la muerte. tico que seencuentra entre los rayos X y la luz visible, que se corresponden entre los 100nm y los400nm. Las longitudes de onda germicidas n.Ingeniería de Servicios Auxiliares
  18. 18. 18 Tratamientos Industriales del Agua Los microorg n. Se ha observado que el pH del agua no tiene n n: mparas de luz UV. nicas e inor nicas disueltas. Turbiedad. Color. Caudal y tiempo de permanencia del agua residual en el reactor. Calidad del agua. Dureza total. mpara. Limpieza del tubo de cuarzo. mpara. Tratamiento del agua antes de aplicar luz UV. o del reactor.Las principales ventajas en el uso y mantenimiento de luz UV son: No genera subproductos. n. No presenta riesgos al usuario. mpara y limpieza del tubo de cuarzo de vez en cuando. HALOGENACIÓNLos compuestos químicos usados en la desinfección del agua son, por lo general,oxidantes fuertes que tienen gran eficiencia en la eliminación de losmicroorganismos y pueden dejar remanentes tóxicos en el agua.Los halógenos como el cloro, el bromo y el yodo. El efecto germicida y depenetración de estos aumenta con su peso atómico. Por ser los de mayorimportancia, se hará mayor referencia a cada uno de ellos en las siguientessecciones.Los halógenosLa siguiente tabla muestra algunas propiedades de los halógenos: 1 Tratamientos Industriales del Agua 8
  19. 19. Jesús Baudelio Campos GarcíaYODOEs el halógeno de mayor peso atómico; por su bajo poder de oxidación, resulta másestable. Por esta razón, sus residuales se conservan por mucho más tiempo que elcloro. La mayor desventaja del yodo como desinfectante del agua radica en sucosto, pues es más caro que el cloro.CLOROA mitad del siglo XX ya se observó que el cloro inhibía ciertos enzimas específicos, loque provocaba la inactivación de las bacterias. Hoy en día, está demostrado que elcloro actúa en la pared celular y daña los ácidos nucleicos, causando inclusomutaciones.Los compuestos del cloro más frecuentemente utilizados en las plantas detratamiento de agua residual son el hipoclorito sódico (NaClO), el hipoclorito cálcico(Ca(ClO)2) y el cloro gas. Los dos primeros se emplean en plantas de tratamientopequeñas. El hipoclorito sódico se puede obtener comercialmente de 1,5 al 15%,siendo el 4,0% la concentración usual máxima (lejía). La solución se descomponemás fácilmente a mayores concentraciones y se ve afectada por la exposición a laluz y al calor. Por lo tanto, su almacenamiento requiere un lugar frío y un tanqueresistente a la corrosión.La cloración con cloro libre y/o derivados se utiliza como sistema de desinfección,pero también como método para eliminar el contenido de cianuros endeterminadas aguas residuales y para disminuir los valores de la DBO a causa delelevado poder oxidante del cloro. La cloración es un sistema de desinfección eficazy del cual se posee una amplia experiencia en su utilización, y que presenta ademásun coste favorable.Aparte del pH y la temperatura, hay otros factores que influyen notablemente en losprocesos de desinfección de aguas residuales. En particular, algunos de estosfactores para la desinfección con cloro son: el tiempo de contacto, a concentración y el tipo de agente químico, el tipo de organismo, a materia en suspensión y la materia orgánica.El tiempo de contacto de los microorganismos con el desinfectante es el factor másIngeniería de Servicios Auxiliares
  20. 20. 20 Tratamientos Industriales del Aguaimportante para lograr la eliminación de los patógenos. El tiempo de contacto vieneespecificado generalmente por la autoridad encargada del control y puede oscilarentre 30 y 90 minutos.El proceso de diseño del reactor debe garantizar que al menos un 80-90% del aguaresidual permanece en el reactor durante el tiempo de contacto especificado. Estose consigue utilizando reactores del tipo flujo en pistón o bien una serie de tanquesde mezcla completa interconectados. La velocidad horizontal deberá ser de 1,5 a4,5 m/min como mínimo.Es el procedimiento más extendido en la desinfección de las aguas de consumo encuanto a que el cloro reúne la mayoría de las propiedades del "desinfectante ideal".El principal objeto de la cloración es la destrucción de microorganismos gracias a laacción germicida del cloro, pero también tiene una gran importancia la oxidaciónde sustancias inorgánicas reducidas (hierro, manganeso, sulfuros etc), la destrucciónde compuestos que producen olor y sabor, eliminación de algas.El cloro resulta un desinfectante bastante eficaz y económico para el tratamiento ypotabilización de aguas, ya sea aportado en forma gas disolviéndolo en el agua obien aportándolo como hipoclorito sódico, hipoclorito cálcico o como derivados delcloroisocianutato. Sin embargo, el aporte de cloro reacciona con la materiaorgánica del agua formando una serie de compuestos derivados del cloro quepueden resultar muy molestos y malolientes. De estos compuestos, los másperjudiciales son los llamados trihalometanos, de carácter cancerígeno para la saludhumana. De todos ellos el más importante es el triclorometano o cloroformo (CHCl3),que tradicionalmente era usado como analgésico pero dejó de utilizarse debido asu toxicidad. Estos compuestos tóxicos traen asociados riesgos de cáncer de colon yvejiga y daños en el riñón y en el hígado. También pueden formarse otrossubproductos perjudiciales como compuestos orgánicos volátiles, cloritos, ácidoscloroacéticos o cloruro de cianógeno.La combinación del cloro con la materia orgánica produce compuestos orgánicosclorados que genéricamente se denomina CRC (cloro residual combinado) y tieneuna gran importancia en el proceso de cloración coadyuvante. Los compuestosmás frecuentes son las cloraminas, por combinación con el amonio.La cloración a punto de ruptura consiste en añadir cloro a la dosis necesaria paraoxidar todos los compuestos orgánicos y algunas sales inorgánicas al estado dereducción que existan en el agua por ej. Fe, Mn...etc.El proceso ocurre en cuatro etapas, como se muestra en la Figura 13: A) Cuando comenzamos a añadir cloro a un agua, las sustancias fácilmente oxidables reaccionan con el cloro reduciéndose la mayor parte de él a ión cloruro. B) Tras satisfacer esta demanda inmediata, el cloro reacciona con el amoníaco y compuestos orgánicos dando lugar a la formación de cloraminas o compuestos organoclóricos. En esta fase se detecta cloro residual combinado (CRC). Al llegar al final de la fase B todo el cloro se encuentra combinado en forma de cloraminas, que son productos que tienen un bajo poder desinfectante y producen un olor desagradable. Estos compuestos son los causantes del llamado olor a piscina. C) Destrucción de cloraminas y compuestos organoclóricos, por lo que disminuye las concentraciones de CRC, hasta llegar a un punto mínimo que constituye el "punto de ruptura" en el cual ya se puede considerar desinfectada ese agua. Este punto constituye la demanda de cloro del agua. D) La adicción de cloro más allá del punto de ruptura, conduce a un aumento proporcional de CRL, lo que supone un margen de seguridad para cualquier 2 Tratamientos Industriales del Agua 0
  21. 21. Jesús Baudelio Campos García demanda de cloro. L a sup ercl ora ció n con siste en la adi cci ón del cloro en dosis muy superiores a la demanda del agua y la posterior neutralización delexceso con un neutralizante como el hiposulfito sódico. OZONIZACIÓN El ozono es oxígeno enriquecido, constando de tres átomos de oxígeno, esinestable y se descompone con cierta facilidad en oxígeno normal y oxígenonaciente, que es un fuerte oxidante. Debido a esta característica, actúa con graneficiencia como desinfectante y se constituye como el más serio competidor delcloro. El ozono es un gas poco soluble en el agua y muy volátil. Se mantiene en elagua solo algunos minutos; en su aplicación, se pierde aproximadamente el 10% porvolatilización. Las dosis necesarias para desinfectar el agua varían según la calidadde la misma.El ozono mata a la bacteria por medio de la ruptura de la membrana celular. Tieneun alto potencial de oxidación, es inestable, y ejerce su propia acción dedesinfección atacando enzimas, grupos sulfridrilo o aldehidos, liberando compuestosperoxiles, que son también desinfectantes, todo esto conduce como se ha dichoantes a la dispersión del citoplasma y por consiguiente a la muerte delmicroorganismo. En cambio, el cloro debe introducirse a través de la pared celularde la bacteria y difundirse dentro del citoplasma, acción que depende en altogrado del tiempo de contacto.Debido a su gran poder oxidante, el uso del ozono puede ser recomendable en elpretratamiento de aguas para la reducción de metales disueltos y la remoción demateria orgánica, lo que permite un ahorro en coagulantes y tiempos de retención.El ozono, además de atacar a los precursores de los trihalometanos y reducir suconcentración en el agua, destruye a estos compuestos ya formados. Otra ventajafrente al cloro es que no imparte al agua color, olor ni sabor y nos evitamos otrosaspectos toxicológicos procedentes de la cloración (trihalometanos, clorofenoles ycloraminas).Es un agente muy poderoso en el tratamiento de materiales orgánicos. Los orgánicosIngeniería de Servicios Auxiliares
  22. 22. 22 Tratamientos Industriales del Aguason naturales (ácidos de humectación y húmicos) o sintéticos (detergentes,pesticidas) en esencia. Algunos orgánicos reaccionan con ozono muy rápidamentehasta la destrucción, dentro de minutos o aún segundos (fenol, ácido fórmico),mientras otros reaccionan más lentamente con ozono (ácidos de humectación yhúmicos, varios pesticidas, tricloretano etc.). En algunos casos, los materialesorgánicos son oxidados solamente parcialmente con ozono. Una ventaja principalde oxidación parcial de materiales orgánicos es que al oxidarse parcialmente, losmateriales orgánicos se polarizan mucho más que originalmente, produciendomateriales insolubles complejos que se pueden quitar con filtros de carbón activado.Su principal inconveniente es que no aporta protección sobre las redes deabastecimiento aguas abajo del punto de aplicación. FILTRACIÓNLa filtración es un proceso de tratamiento consistente en hacer pasar el agua através de un medio poroso para eliminar la materia en suspensión (MES). Además,constituye una de las principales barreras para los agentes infecciosos ya quecontribuye a reducir la carga microbiana en el proceso de desinfección.La filtración de aguas residuales adopta diseños especiales debido a lascaracterísticas físicas y químicas del agua. En general, los filtros utilizados en lostratamientos terciarios, reciben partículas de mayor tamaño y más variable, demayor peso y con cargas de sólidos más variables.El proceso es muy simple y consiste en pasar el agua que se quiere tratar por unlecho filtrante o por una membrana y se obtiene un permeado y un rechazo desolidos, al final empieza a aumentar el contenido de sólidos en suspensión en elefluente hasta alcanzar un nivel máximo aceptable, o cuando se produce unapérdida de carga prefijada en el interior del filtro. Una vez alcanzada cualquiera deestas dos condiciones, se termina la fase de filtración, y se procede a lavar el filtro acontracorriente para eliminar la materia en suspensión que se ha acumulado en elinterior del lecho filtrante. Microfiltración (MF): filtración de suspensiones que contienen coloides o partículas finas en el rango de tamaño aproximado entre 0.02 y 10 micras. Ultrafiltración (UF): separación de partículas en el rango comprendido entre 0.001 y 0.02 micras lo que admite la eliminación de materias de alto peso molecular (PM ≥1000) y en estado coloidal. Osmosis Inversa (OI): separación casi completa de partículas en el rango de tamaño entre 0.0001-0.001 micras y de solutos de masa molecular de 300. Se aplica a sales inorgánicas y/o compuestos orgánicos de peso molecular relativamente alto. Nanofiltración:proceso intermedio entre la ultrafiltración y la ósmosis inversa.permite la eliminación de moléculas orgánicas de relativo bajo peso molecular (PM≥200) y retiene incluso cationes y aniones divalentes. MICROFILTRACIÓNEs un proceso de membrana muy antiguo que utiliza el gradiente de presión comofuerza impulsora. El mecanismo es de cribado a través de los poros. Las membranas 2 Tratamientos Industriales del Agua 2
  23. 23. Jesús Baudelio Campos Garcíausadas para la microfiltración son porosas y simétricas, teniendo un tamaño de porode 0.1 – 10 μm. Separa partículas de un diámetro superior a 0.1 mm, algunos coloidesgrandes, bacterias y levaduras. Parte de la contaminación viral también esatrapada en el proceso, a pesar de que los virus son más pequeños que los poros dela membrana de microfiltración, debido a que los virus se pueden acoplar a lasbacterias.Respecto al pretratamiento de la MF bastan pocos requerimientos en comparacióncon los procesos convencionales de clarificación del agua, donde se añadencoagulantes y otros productos químicos antes de la filtración. Cuando las partículasy los microorganismos son los contaminantes y se use fibra hueca son necesariosprefiltros, rango de 50 a 200 m, para eliminar grandes partículas que pueden cegarel interior de las fibras. También puede requerirse ajuste de pH para mantenerlo en elrango adecuado, esto es más importante para membranas de derivadoscelulósicos. ELECTRODIÁLISISLa electrodiálisis separa las moléculas o iones en un campo eléctrico debido a ladiferencia de carga y de velocidad de transporte a través de la membrana. Lasmembranas tienen lugares cargados y poros bastante estrechos (1-2 nm). En lacélula de electrodiálisis se sitúa un cierto número de membranas de intercambiocatiónico y aniónico entre un ánodo y un cátodo de forma que cuando se aplica lacorriente eléctrica los iones con carga positiva migran a través de la membrana deintercambio catiónico y viceversa.Además de la migración de iones, cuando se aplica un potencial de corrientecontinua (c.c.) también se produce un intercambio de electrones entre loselectrodos del stack. En el ánodo, dos átomos de cloruro ceden dos electrones paraformar una molécula de cloro gas. Estos dos electrones son atraídos hacia el cátodo,donde tiene lugar la disociación del agua relacionada con la ganancia deelectrones (reducción del agua) para producir hidrógeno gas. Si la disolución nocontuviera cloruros, en el ánodo tendría lugar la semireacción de oxidación delagua. Esta semireacción también aparece en caso de haber iones cloruro pero setrata de una semireacción secundaria muy minoritaria por tener un potencial deoxidación sensiblemente inferior en valor absoluto al potencial de la semireacciónde formación de cloro gas.El proceso puede verse claramente en la figura, donde los iones van a loscompartimentos atraídos por los electrodos del signo contrario, dejando en cubasparalelas, celdas de dilución, el agua pura y en el resto, celdas de concentración, elagua salada más concentrada. Este producto de desecho, el cual debe sereliminado debidamente puede llegar a ser hasta el 30 por ciento del total de aguade fuente tratada; 15 a 20 por ciento es un resultado más típico.Ingeniería de Servicios Auxiliares
  24. 24. 24 Tratamientos Industriales del Agua REFERENCIASExtraído de http://civilgeeks.com/2010/09/29/tratamiento-terciario-de-aguas-residuales/“Tratamiento terciario de Aguas residuales” consultado el 8 de diciembre de 2012Extraído dehttp://cdam.minam.gob.pe:8080/bitstream/123456789/109/12/CDAM0000012-11.pdfconsultado el 8 de diciembre de 2012Extraído de http://www.emagister.com/curso-agua-desalacion-2-4/electrodialisis“Electrodialisis” consultado el 9 de diciembre de 2012Antonio Rodríguez Fernández-Alba, Pedro Letón García, Roberto Rosal García,Miriam Dorado Valiño Susana Villar Fernández Juana M. Sanz García tratamientosavanzados
 de aguas residuales industriales pag. 6-7,18-30 WWW.madrimasd.org 2 Tratamientos Industriales del Agua 4

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