Las redes de saneamiento y las estaciones depuradoras están cobrando, cada vez, mayor importancia en Latinoamérica y Europa, ya que se trata de un ámbito crucial para la salud humana en el que los ingenieros podemos implicarnos profesionalmente. Con este fin, hoy os traemos un análisis de todos y cada uno de los elementos de los que se compone una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR). ¡Vamos a por ello!
Aguas residuales: tratamiento y depuración
Se entienden por aguas residuales aquellas aguas que se encuentran contaminadas. De esta forma, la Ley de Aguas española define la contaminación como la acción y el efecto de introducir materias o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores, con la salud humana, o con los ecosistemas acuáticos o terrestres directamente asociados a los acuáticos; causen daños a los bienes; y deterioren o dificulten el disfrute y los usos del medio ambiente.
En este sentido, las aguas pluviales llevan poca carga contaminante y son fácilmente tratables. Los agentes nocivos se incorporan cuando la lluvia atraviesa la atmósfera o cuando el agua, ya caída, escurre por la superficie.
Sin embargo, son las aguas urbanas las que conllevan una mayor contaminación de las aguas residuales, siendo sus principales fuentes contaminantes de origen doméstico, industrial o agrícola, convirtiéndose así en el principal objeto de la depuración. Os dejamos, a continuación, con un esquema general de dicho proceso y su posterior explicación, paso a paso.
Entrada de aguas residuales
Las aguas residuales llegan hasta la entrada de la depuradora desde la red de alcantarillado, recogiendo las aguas pluviales y negras del área donde la depuradora recoge las aguas, bien en un sistema unitario o bien en un sistema separativo.
Depósito e instalación de bombeo
Siempre se intenta en las redes de abastecimiento y saneamiento que las conducciones circulen por gravedad. Para ello, una vez llegadas las aguas residuales a la entrada de la depuradora, se les aplica energía mediante una bomba de impulsión, de forma que el resto de la conducción en el interior de la EDAR se realizará por gravedad.
Este paso sería evitable si la EDAR consiguiese localizarse en una zona con pendiente, de forma que las aguas discurran con la velocidad adecuada.
Debaste por rejillas
El fluido pasa a través de varias rejillas de diferentes diámetros. Con ello se consigue que los materiales sólidos queden retenidos, realizándose una primera aproximación grosera de la depuración como tal.
Desarenado y desengrasado
El desarenado es una operación que tiene por objeto eliminar todas aquellas partículas de granulometría superior a 0,5 mm, con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasión, y para evitar sobrecargas en las fases de tratamiento siguiente.
Lo correcto es colocar el sistema de bombeo a partir de este paso, para que sufra el menor daño posible. No obstante, como ya se ha expuesto, existen casos en los que la llegada de los colectores se efectúa a mucha profundidad y es necesario colocar una estación de bombeo a la entrada de la depuradora.
En cuanto al proceso de desengrasado, el objetivo es eliminar grasas, aceites, espumas y demás materiales flotantes más ligeros que el agua, que podrían distorsionar los procesos de tratamiento posteriores.
Por otro lado, el desaceitado consiste en una separación líquido-líquido, mientras que el desengrase es una separación sólido-líquido. En ambos casos se eliminan las sustancias impertinentes mediante insuflación de aire, para desemulsionar las grasas y mejorar la flotabilidad.
Decantación primaria
Este proceso constituye la depuración primaria. Tiene como objetivo eliminar, por efecto de la gravedad, los sólidos suspendidos de las aguas residuales; se logra bien sea de manera libre, o asistida con químicos que aglomeran las partículas (floculantes) para que ganen peso y decanten con mayor velocidad.
Estos sólidos suspendidos eliminados son, en su mayoría, materia orgánica, por lo cual se presenta una reducción importante en la concentración de DBO del efluente.
El análisis de un decantador primario circular podría ser el siguiente: el agua entra por el centro del decantador y es recogida en toda la periferia del mismo para así poder, posteriormente, acumular y extraer el fango primario.
La concentración de fango primario en las aguas residuales suele ser de entre un 3% y un 8% del volumen total. Conoceremos cómo se efectúa su extracción en el apartado 11. Retirada de lodos primarios.
Reactor biológico de lecho bacteriano
Con este apartado da comienzo el tratamiento secundario, conocido también como depuración o tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR), que es entendido como la eliminación de contaminantes mediante la actividad biológica de los microorganismos presentes en los reactores.
Aunque el tratamiento secundario es capaz de remover DBO y SS en valores cercanos al 85%, no eliminará significativamente nutrientes (N y P), ni metales pesados, ni patógenos, los cuales deben ser removidos posteriormente.
Tras el pretratamiento y tratamiento primario, las aguas ingresan en los lechos por su parte superior, percolan a través del relleno, donde tiene lugar la depuración y salen por la parte inferior. Las aguas depuradas y la biomasa desprendida del soporte, pasan a la etapa de decantación, en la que, por gravedad, se procede a su separación.
Decantación secundaria
A diferencia de los decantadores primarios, estas unidades que acompañan casi la totalidad de los reactores biológicos, no se diseñan para remover carga contaminante presente en las aguas residuales, sino para separar el agua tratada de la biomasa que escapa juntamente con ella.
Estas unidades son más grandes que los decantadores primarios y no deben tener un tiempo de retención excesivo debido a que podrían presentarse condiciones anaerobias, pero sí el suficiente para lograr una separación efectiva de la biomasa. Si este lodo sale juntamente con el efluente de las aguas tratadas, se presentarán altos niveles de DBO y SS que echarán a perder todo el proceso de depuración y que causarán incumplimiento de los parámetros y normativas de vertido.
Tamizado final
Este tamizado forma parte ya de la denominada depuración terciaria. Cabe destacar que este tramo final no siempre se realizaba antiguamente. En la actualidad, los tratamientos específicos o terciarios desempeñan un papel fundamental en el cumplimiento de las cada vez más exigentes normativas de vertidos de los distintos países, en los que los tratamientos primario y secundario, no sólo no son suficientes para hacer que un vertido cumpla con las disposiciones normativas de las autoridades ambientales competentes, sino que en varios casos, puede incrementar las concentraciones de algunos compuestos que hoy son vigilados.
Su objetivo es eliminar la materia orgánica que aun pudiese quedar en el agua o reducir la concentración de sales inorgánicas disueltas que no han sido retenidas por los procesos de filtración, sedimentación y oxidación de las fases anteriores.
Además del tamizado, en algunas plantas depuradoras suele disponerse un proceso final de desinfección. Esta desinfección puede realizarse por ozonización y por lámparas de luz ultravioleta, aunque lo más económico y habitual suele ser utilizar la cloración con hipoclorito sódico en estado gas. Se trata, por tanto, de un tratamiento último que se encarga de destruir diversos microorganismos patógenos que pudiesen quedar en el agua.
Vertido al río de las aguas depuradas
Una vez realizadas todas las operaciones, las aguas depuradas pueden ser vertidas a un cauce natural público, siempre que cumpla los valores umbrales de sustancias restringidas por las leyes pertinentes, las cuales, no tienen cabida en este breve resumen de los equipos de una estación depuradora.
Para conocer con exactitud los valores umbrales de sustancias con las que se puede realizar determinados vertidos, es conveniente consultar el texto refundido de la Ley de Aguas.
Eliminación de arenas y grasas
Ya se expuso en el apartado propio para los desarenadores y desengrasadores, ahora incluiremos cómo se retiran esas sustancias eliminadas.
El proceso de extracción de las arenas de los desarenadores se puede realizar de forma manual y de forma mecánica:
- Manuales: En plantas pequeñas, con desarenadores de tipo canal.
- Mecánicos: En los desarenadores de canal la extracción se realiza mediante unas bombas especiales incorporadas a un puente y con la longitud adecuada para llegar al fondo del canal, donde se depositan las arenas, pero sin llegar a tocar el suelo. El puente va avanzando a lo largo del canal y al mismo tiempo la bomba va succionando las arenas depositadas.
En cuanto a las grasas, el método de extracción es bastante simple, se pasa una especie de “cuchilla” montada sobre un puente grúa, denominada desnatador, que se desplaza permanentemente por la zona de desengrasado retirando las sustancias flotantes que se vayan acumulando.
Los materiales extraídos, tanto flotantes como arenas, son llevados temporalmente a un contenedor para ser luego incinerados o dispuestos en un relleno sanitario.
Retirada de lodos primarios
Los lodos obtenidos de la decantación primaria tienen una consistencia limosa y una coloración entre marrón y grisácea. Por su alto contenido de materia orgánica se descomponen con facilidad, causando malos olores. Estos lodos se deben tratar de manera conjunta con los lodos resultantes de los tratamientos secundarios.
Ambos conductos, el que extrae el fango primario y el que recoge el fango secundario se unen antes de ser tratados, por lo que los tratamientos que se verán en subapartados posteriores se darán de manera general para el total del lodo obtenido.
Retirada de lodos secundarios
Los lodos secundarios o lodos biológicos, procedentes de la reacción biológica de lecho biológico, están constituidos principalmente por biomasa activa.
Estos lodos frescos, tienen una coloración marrón oscura y olor a tierra húmeda que no es desagradable hasta que empiezan a ser digeridos anaeróbicamente. Su contenido inicial de humedad varía entre el 98 y el 99,5%, siendo muy difícil su concentración (espesamiento).
En el tratamiento de lodos secundarios se deben llevar a cabo 3 fases principales:
- Espesado: para reducir los volúmenes iniciales de lodo y facilitar su manejo en el tratamiento.
- Digestión: para estabilizar anaerobiamente la materia orgánica presente y evitar su fermentación y putrefacción.
- Deshidratación o secado: para eliminar el exceso de agua y conseguir una textura apropiada que facilite su manejo y transporte.
Digestión primaria de lodos
En la digestión, los lodos concentrados son estabilizados bioquímicamente con el fin de que no continúen su proceso de descomposición o se presente crecimiento de microorganismos, en su reutilización o en su disposición final. Adicionalmente, esta digestión completa, permite la eliminación de los organismos patógenos presentes y la reducción de olores desagradables.
Esta digestión se realiza a través de un proceso anaerobio, en tanques cerrados, y se obtendrá como producto normal de la fermentación anaerobia, biogás (CH4 y CO2) y nuevas células, que serán eliminadas una vez que se haya digerido toda la materia orgánica y entren a la fase de crecimiento endógeno.
Es importante controlar, especialmente, la temperatura (entre 30 y 35 °C), el pH (entre 6,8 y 7,4) y alcalinidades entre 1500 y 2000 mg/L. Los parámetros usados para determinar la estabilidad del lodo son el contenido de sólidos volátiles (V) y el número de patógenos.
Digestión secundaria y espesado de lodos
El espesado de lodos es un proceso que se lleva a cabo con el fin de reducir la inversión económica del tratamiento. Para ello, los lodos frescos procedentes de los reactores biológicos, los cuales tienen más de un 95% de agua, deben ser reducidos en volumen.
Dicha reducción de volumen se realiza en unos tanques llamados espesadores. Estos tanques, de estructura similar a la de un decantador, tienen un brazo rotatorio móvil, anclado a un armazón barrelodos, el cual tiene la función de eliminar los espacios ocupados por el agua y agrupar los sólidos.
Evaluación de lodos
Considerando el fango obtenido como una sustancia con muchos y diversos nutrientes, tras tomar las debidas precauciones, pueden emplearse con fines agrícolas como compostaje o, incluso, como acondicionador de suelos, reforestación, etc.
Producción de gas en el digestor primario
Como ya se ha citado en el apartado 13. "Digestión primaria de lodos", la digestión del lodo procedente de la depuración primaria, genera un gas denominado biogás, cuya composición comprende un 65-70% de metano (CH4) y un 25-30% de dióxido de carbono (CO2), además de pequeñas cantidades de nitrógeno, hidrógeno y sulfuro de hidrógeno.
Salida gas de digestión
El ya mencionado biogás, sale del digestor primario de lodos a mucha presión. Esta presión es la utilizada para generar energía eléctrica de manera sencilla.
Producción de energía con el gas de digestión
Un metro cúbico de metano tiene un poder calorífico de, aproximadamente, 35.800 kJ. Como ya se mencionó un par de subapartados atrás, el biogás posee un 65% de esta sustancia, por lo que su poder calorífico rondará los 23.270 kJ/m3.
Comparado con el gas natural, el cual tiene un poder calorífico de 37.300 kJ/m3, su poder calorífico es más que considerable. El gas de la digestión se puede emplear como combustible para calderas y motores de combustión internos que, a su vez, se pueden utilizar para el bombeo de agua residual, generación de electricidad y funcionamiento de soplantes (utilizados en la desarenadora), con lo que me gustaría finalizar afirmando que una Estación de Depuración de Aguas Residuales puede autoabastecerse energéticamente, cerrando así un ciclo medioambiental sostenible.
