1. Composición de las Aguas Residuales Municipales

Para entender el proceso que conlleva el tratamiento de las aguas residuales se requiere la breve explicación de las principales características de las aguas residuales municipales, las cuales tienen compuestos diferentes de las industriales.

Contaminantes biológicos y químicos:

  • Materia orgánica biodegradable, como proteínas, carbohidratos y grasas animales, causantes de la disminución del oxígeno que constituye el agua.
  • Organismos patógenos, responsables de enfermedades contagiosas por virus, bacterias y parásitos.
  • Nutrientes, como el nitrógeno, carbono y fósforo que promueven el crecimiento de bacterias en el agua.
  • Materia orgánica no convencional, por ejemplo, pesticidas agrícolas.
  • Metales pesados, productos de actividades comerciales como cobre, níquel, cadmio, plomo, cromo y zinc.
  • Sólidos inorgánicos, pudiendo ser el calcio, sodio y sulfatos.
  • Sólidos suspendidos, partículas flotantes perceptibles a la vista como basuras orgánicas e inorgánicas, de los cuales se desarrolla el fango.

Contaminantes de propiedades físicas:

  • Mayor temperatura por la energía liberada de las reacciones bioquímicas.
  • El color cambia debido al nivel de descomposición, las cuales pueden ir de gris a negro. A estas aguas se les conoce como sépticas.
  • La degradación de los compuestos orgánicos y gases provoca un olor desagradable en las aguas 

 

2. Procedimientos para el Tratamiento de Aguas Residuales

7651-109312-1553210688Si bien, el tratamiento de aguas residuales conlleva una serie de procesos físicos, químicos y biológicos para la eliminación y reducción de contaminantes específicos. Para ello, existen diversos procedimientos que utilizan las plantas municipales en la realización de funciones para el pretratamiento, tratamiento primario, secundario o terciario de las aguas residuales. A continuación, se mencionan algunos de mayor relevancia.

1. Desarenado de aguas residuales y su proceso

Las plantas municipales utilizan este proceso como un pretratamiento de las aguas residuales, el cual requiere de un sistema desarenador desengrasador. Esta técnica consiste en separar los sólidos flotantes, arenas, grava, grasas y aceites presentes en el agua residual. Si bien, esta separación dependerá de la densidad específica de estos componentes, así como de la gravedad que ejercen en el agua.

Este proceso se considera como una fase previa de depuración para facilitar la eliminación de grasas y arenas que interfieran en la degradación correcta de la materia orgánica en los procedimientos siguientes. Asimismo, se evitará la producción de sedimentos que puedan obstruir los canales, tuberías y conductos de aireación o que puedan provocar abrasión y desgaste en la maquinaria, como las bombas.

¿Cómo funciona ?

En general, la desarenación puede ser de flujo horizontal o de flujo aireado en espiral. El primero conlleva un proceso en donde permite el flujo en dirección horizontal del agua a través de los depósitos o cámaras, en donde se reduce la velocidad para que las partículas puedan asentarse en el fondo del canal por simple gravedad. Esta técnica dependerá de las dimensiones de cada unidad, la distribución del afluente y del vertedero.

El desarenador aireado requiere de tecnología de aireación para la regulación del aire en la velocidad del flujo del agua a fin de producir un movimiento de tipo espiral. Con esto se busca controlar las dimensiones de la cámara y la cantidad de aire suministrado a cada partícula para la decantación de los sólidos inorgánicos y orgánicos del agua residual.

En estos casos, se ha comprobado que los desarenadores aireados permiten la producción de sedimento más limpio y de fácil manipulación en comparación de los de flujo horizontal.

2. La función de los humedales artificiales

Los humedales artificiales son extensiones de superficie terrestre que se encuentran inundadas, ya sea de manera temporal o permanente. Estas se construyen mecánicamente para que el agua no se filtre al subsuelo. Con estos se trata de reproducir de una forma natural los procesos de filtración y purificación del agua residual, justamente como lo hacen los humedales naturales con vegetación que retiene los contaminantes y sedimentos diversos. 

El objetivo de la construcción de estos humedales, los cuales se encuentran principalmente en zonas urbanas, permite el tratamiento de aguas a partir de la utilización de vegetación específica, como las plantas hidrófitas y helófitas, que ayudan a inyectar oxígeno al medio acuático para su depuración. En particular, el oxígeno permite el desarrollo de bacterias aerobias necesarias para la degradación de la materia orgánica, crecimiento de algas y eliminación de organismos patógenos, así como nutrientes. 

Su importancia en el tratamiento de aguas residuales se basa en la creación de un flujo controlado en donde los microorganismos y vegetación se puedan adaptar para la transformación de materias contaminantes. Además, el sustrato participe en los humedales sirve como soporte para una mejor depuración del agua gracias a la fijación de biopelículas.

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Tipos de humedales artificiales

En general, los humedales artificiales se pueden clasificar en dos: superficiales y subterráneos. En los superficiales el flujo del agua se realiza por encima del sustrato de las plantas enraizadas, es decir, su circulación se lleva a cabo al rodear los tallos y hojas de las plantas. Este tipo de humedal superficial se encuentra expuesto al ambiente y son poco profundos. 

En los humedales subterráneos el recorrido del agua residual se da en superficies menos profundas, ya que permiten la circulación en un medio granular permeable en donde se esté en contacto directo con las raíces de las plantas y rizomas. Prácticamente, en este humedal el agua no es visible, por ello, no habrá generación de mosquitos que estén rodeando este terreno o la aparición de olores desagradables.

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3. La nitrificación de aguas residuales

La nitrificación se centra en la supresión y eliminación de nitrógeno, un contaminante dañino para la salud de los seres humanos y para los animales, el cual se encuentra en el flujo de aguas residuales. Se trata de un proceso biológico que está dividido en dos etapas, la nitrificación desnitrificación, y consiste en la oxidación y transformación de bacterias nitrificantes. 

Si bien, en la nitrificación se debe considerar la existencia de pequeñas concentraciones de oxígeno, amonio o nitrito para utilizarlos como fuente de energía, así como de dióxido de carbono. El primer paso involucra la oxidación del nitrógeno por medio de la reducción de oxígeno del amoniaco para convertirlo a nitrito y, luego, a nitrato.

En la desnitrificación, el nitrato convierte el nitrógeno a un estado gaseoso para ser después eliminado y liberado al entorno. 

De hecho, la nitrificación es un proceso altamente confiable y estable para la eliminación del nitrógeno de las aguas residuales, además, conlleva una reducción de costos en comparación con otros procedimientos y es de fácil manejo.

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4. Lagunas de estabilización

Al igual que los humedales artificiales, las lagunas de estabilización se conforman por embalses construidos en terrenos de poca profundidad, más o menos de 1 a 4 metros. Estos sistemas se basan en la retención del agua residual para purificarla de una forma natural, proceso que requiere de un tiempo suficiente para que el tratamiento sea aceptable.

Una laguna ayuda a la autodepuración de materia orgánica de las aguas residuales a través de agentes aerobios o anaerobios. Principalmente, hay cuatro clasificaciones de este tipo de lagunas.

  1. Lagunas aeróbicas: Se refiere a la presencia de oxígeno disuelto en el agua residual gracias a la fotosíntesis generada por las algas, lo que permite que se establezca un equilibrio entre estas y las bacterias.
  2. Lagunas anaeróbicas: Es un proceso en donde hay una ausencia de oxígeno en el ecosistema. En este caso, las bacterias fungirán como principales agentes en la degradación de la materia orgánica, provocando de mayor tiempo para la purificación.
  3. Lagunas facultativas: En este se combinan los procesos aeróbicos y anaeróbicos, permitiendo la reducción de contaminantes orgánicos con mayor profundidad.
  4. Lagunas aireadas: Realiza el mismo proceso que las lagunas aerobias, pero con la incorporación de aire artificial por medio de la utilización de agitadores mecánicos. Este proceso también favorece una mejor purificación del agua residual.

No obstante, este proceso requiere de grandes extensiones de terreno, ya que grandes cantidades de agua residual estará estancada en un mismo lugar hasta que sea purificada.

Las lagunas de estabilización son comunes en México para el tratamiento de aguas municipales. Sus características más relevantes son el bajo costo para el tratamiento de residuos, la minimización de olores fétidos, el desarrollo de mosquitos y la utilización de este sistema en comunidades pequeñas.

5. Reactores secuenciales discontinuos (SBR)

En el proceso de lodos activados se han desarrollado tecnologías en ingeniería para la eliminación de materia orgánica y de nutrientes que se generan en las aguas residuales, como nitrógeno y fósforo. A estos sistemas se les conoce como reactores secuenciales discontinuos (o por sus siglas en inglés, SBR).

Es un sistema que se enfoca en el tratamiento de lodos a través de reactores biológicos discontinuos. Aquí, el agua residual se mezcla en conjunto con el lodo biológico en un entorno donde el agua esté en contacto con el aire. Aún más, estos sistemas dan paso a los procesos de nitrificación y desnitrificación gracias a la regulación y modificación de las descargas.

Estos reactores solo requieren de un estanque de sedimentación, ya que en sus procesos de tratamiento: aeración clarificación, funcionan de manera secuencial en ese mismo tanque. El funcionamiento los SBR va de acuerdo con secuencias periódicas de ciclos de llenado y vaciado. 

En general, los reactores discontinuos se basan en cuatro etapas.

  1. Llenado: Enfocado en la adición de sustrato al reactor; dependiendo de las necesidades del tratamiento del agua residual puede ser estática, mezclada o aireada.
  2. Reacción o aereación: Esta etapa permite que las reacciones iniciadas en la fase anterior se completen. Aquí, puede someterse a procesos de aireación o no.
  3. Sedimentación o clarificación: A través de un proceso de regulación de los sólidos en el lodo se permite que estos sólidos se separen del líquido en un estado de reposo con el fin de obtener un sobrenadante clarificado para poder ser descargado como efluente.
  4. Vaciado o extracción: Se trata de la extracción del agua del reactor una vez que ha sido clarificada y teniendo en cuenta que el material flotante no sea descargado durante el vaciado.

Si bien, al emplear solamente un estanque para que se den las reacciones necesarias implica una reducción en la inversión económica. Además, son reactores flexibles, ya que comprenden grandes concentraciones de aguas residuales.

3. Innovación en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

El tratamiento de aguas residuales es un tema que actualmente se encuentra en búsqueda de innovaciones que ayuden a cubrir la demanda de purificación del agua. En México, para el 2030 se prevé un considerable aumento de la población total del país que vivirá en zonas metropolitanas con 62.7%; esto significa un 31% del uso de agua total a nivel nacional.

Por ello, las plantas de tratamiento requieren de nuevos alcances y desarrollos tecnológicos para contrarrestar las consecuencias que dañen al ser humano, medio ambiente y recursos hídricos. A continuación, se mencionan algunos de los más destacados.

Filtración por membranas

Esta tecnología utiliza barreras físicas por medio de membranas que permiten separar los contaminantes del agua entre las dos superficies de esta, así, de un lado quedan los contaminantes y del otro el agua purificada. Usualmente conlleva procesos ya sea de ósmosis inversa o ultrafiltración y se utiliza más para la purificación de agua potable, ya que tiene un mayor nivel de filtración de sustancias más pequeñas como los iones y sales.

Biorreactores de membrana (MBR)

A diferencia de los reactores SBR, estos tienen tecnología de degradación de materia orgánica y separación de agentes patógenos por membranas. Este sistema se incorpora al proceso de lodos o fangos activados. Sus ventajas van más hacia la obtención de una mejor calidad en purificación, nivel de compactación y facilidad de control.

Innovación en México

Un ejemplo de innovación en plantas de tratamiento mexicanas es la creada por el Instituto de Ingeniería de la UNAM en colaboración con la Universidad de Newcastle, bajo el nombre de Atzintli. Esta planta es única en el mundo, ya que tiene la capacidad de captar dióxido de carbono para purificar el agua a través de la utilización de microalgas provenientes del Lago de Texcoco.

Su proceso se basa en un sistema de ozonificación del líquido para garantizar la mayor eliminación de contaminantes, sobre todo, organismos patógenos que hayan quedado todavía activos en los procedimientos de uso habitual. Además, uno de los beneficios que brinda la planta Atzintli es la obtención de subproductos como biomasa.

4. Subproductos Obtenidos del Tratamiento de Aguas Residuales Municipales

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A partir del tratamiento de aguas residuales se pueden obtener varios beneficios gracias a la generación de subproductos que sirven para fines de uso común o comercial. Para ello, el subproducto más característico obtenido es el lodo. De aquí se puede partir a otros productos.

Energía eléctrica y Biocombustibles

Durante la etapa de digestión anaerobia, los lodos pueden ser fuente de energía ya que producen biogás, un biocombustible utilizado para generar energía eléctrica y calorífica, haciendo funcionar parte de la maquinaria de la planta, como los digestores. Asimismo, en los tratamientos de aguas residuales con cultivo de microalgas, también se genera energía biocombustible, como la biomasa y biogás, a través de la descomposición de bacterias y el crecimiento de algas.

Abono y fertilizantes

Una vez que se ha conseguido un lodo estabilizado o biosólido, en donde ya se hizo una reducción importante de contaminantes, este puede ser empleado como abono para fines agrícolas. En comparación con los fertilizantes químicos, este abono natural permite mejorar las características de la tierra al incluir nutrientes necesarios para el crecimiento de la vegetación, por ejemplo, fósforo, cobre, zinc, nitrógeno y níquel; todo sin dañar el subsuelo.

Bioplásticos

En los fotobiorreactores se pueden producir bioplásticos desarrollados a partir de biomasa, los cuales son altamente biodegradables en comparación con aquellos plásticos derivados del petróleo.

5. Normativa en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales

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En México, la normativa para las plantas de tratamiento define que los municipios son los encargados de la prestación de funciones y servicios para el público, ya sea agua potable, drenaje, alcantarillado, saneamiento y utilización de aguas residuales. Si bien, las normas oficiales mexicanas están reguladas por organismos como CONAGUA y SEMARNAT y comprenden los siguientes puntos.

  • Seguridad en la infraestructura.
  • Sustentabilidad de la planta (subproductos generados).
  • Eficiencia de los procesos internos.
  • La calidad de tratamiento del agua.
  • Derechos por explotación, uso y aprovechamiento (incluyendo costos de construcción).

Los límites máximos permisibles de organismos contaminantes para:

  • Descarga en aguas o bienes nacionales (NOM-001-Semarnat-1996).
  • Reúso de aguas para servicios públicos (NOM-003-Semarnat-1997).
  • Lodos y biosólidos para aprovechamiento y disposición final (NOM-004-Semarnat-2001)
PTAR´s Municipales

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