El tratamiento secundario de aguas residuales

El tratamiento secundario de aguas residuales es la parte más técnica de una EDAR. La depuradora es una instalación industrial donde se provocan una serie de procesos y tratamientos con el objetivo de separar el agua de los contaminantes. Los procesos se agrupan, a grandes rasgos, en:

✅ Tratamiento primario

✅ Tratamiento secundario

✅ Tratamiento terciario

✅ Línea de fangos

✅ Línea de biogás

El objetivo del tratamiento secundario de aguas residuales

El objetivo fundamental en un tratamiento secundario, o también llamado tratamiento biológico, es la reducción de DBO5 y DQO. Gracias al desarrollo de ecosistemas de diferentes tipos de bacterias se alcanzan rendimientos en este ámbito de hasta el 95%.

Podemos decir que el objetivo principal se alcanza mediante tres pasos fundamentales:

✅ Transformar y disolver componentes biodegradables en productos finales aceptables.

✅ Capturar e incorporar sólidos coloidales no sedimentables a un floculo biológico, también llamado biopelícula.

✅ Transformar o remover nutrientes como nitrógeno y fósforo.

Los microorganismos en el tratamiento secundario de aguas residuales

El tratamiento biológico en EDAR es una cadena alimenticia integrada por materia orgánica, bacterias, protozoos y rotíferos.

El tratamiento secundario, también denominado tratamiento biológico, se realiza mediante la acción de microorganismos que consumen la materia orgánica y la transforman en nuevas células biodegradables o fáciles de retirar. Las nuevas células forman flóculos más pesados que deben separarse del agua con el fin de completar el tratamiento.

Los microorganismos principales que intervienen en los sistemas de tratamiento son: las bacterias, los protozoos y los metazoos.

Las bacterias se encargan de la transformación de la materia orgánica, mientras que los protozoos ayudan a mantener la población bacteriana y a darle densidad a la biomasa.

La presencia de metazoos en el agua del tratamiento biológico es menor que la de protozoos. Podemos encontrar de dos tipos: rotíferos y nematodos. La presencia abundante de rotíferos es un indicador de un buen nivel de tratamiento del agua.

Por su afinidad con el oxígeno, los microorganismos pueden ser aerobios si necesitan el oxígeno para su crecimiento, anaerobios cuando no requieren el oxígeno para desarrollarse, o facultativos cuando pueden crecer en ambas condiciones.

Los microorganismos aerobios son altamente productivos en el tratamiento secundario de aguas residuales. Según estudios, aproximadamente el 65% de la materia orgánica la transforman en biomasa. Los microorganismos anaerobios producen metano y sólo 10% de la materia orgánica se transforma en biomasa.

Podemos afirmar que los microorganismos que generan la biomasa en las aguas residuales son los principales actores en el tratamiento biológico. De ahí la importancia fundamental del conocimiento técnico de esta parte de la EDAR.

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El crecimiento microbiano en el tratamiento biológico de una EDAR

Para tener un control efectivo del tratamiento biológico que se realiza al agua residual en el reactor biológico de una EDAR, es necesario conocer cómo crecen los microorganismos que realizan la depuración, que principalmente son bacterias.

El modelo de crecimiento más utilizado en el tratamiento secundario de aguas residuales está basado en la evolución del número de células, y tiene cuatro etapas. Para obtener este modelo se usan biorreactores con funcionamiento discontinuo, donde se analiza la concentración de células a distintos tiempos.

La cinética de crecimiento de los microorganismos pueden clasificarse en cuatro etapas:

✅ Etapa lag: Tiempo necesario para que las células se adapten al medio.

✅ Etapa de crecimiento exponencial: Las células se reproducen a la máxima velocidad que les permiten sus propias características y el medio donde crecen. El crecimiento celular es proporcional a la concentración de células.

✅ Etapa estacionaria: La población celular permanece estacionaria. El crecimiento está limitado por la disponibilidad de los nutrientes. La generación de células nuevas se compensa con la muerte de células viejas

✅ Etapa de muerte: Cuando los nutrientes en el medio se agotan, la tasa de mortalidad excede a la de generación de células nuevas.

Los procesos en el tratamiento secundario de aguas residuales

El agua residual llega al tratamiento secundario tras completar el tratamiento primario. Por lo que suponemos que ha cumplido con su reducción de sólidos en suspensión y se han eliminado las arenas y las grasas disueltas en el agua bruta.

Una vez llegado a este punto, existen diversos procesos para realizar este tratamiento. La elección de un proceso u otro depende de distintos factores como:

✅ El caudal de tratamiento

✅ La concentración de contaminantes

✅ El tipo de contaminantes

✅ La climatología del lugar donde se encuentra la EDAR

✅ La continuidad en el suministro de agua bruta

Algunos de los procesos más habituales son los siguientes:

⏺ Fangos activados

El contenido del tanque de aireación se mezcla vigorosamente mediante dispositivos de aireación que también suministran oxígeno a la suspensión biológica.

Sin lugar a dudas este es uno de los procesos más empleados en las depuradoras de España para los tratamientos biológicos. En este proceso el efluente procedente del tratamiento primario es conducido a un tanque de aireación, donde el agua residual urbana se mezcla con un ecosistema de microorganismos y bacterias, formando lo que se denomina como licor mixto.

El tanque de aireación, también llamado reactor biológico, inyecta un suministro constante de oxígeno o aire en las aguas residuales. De esta forma, se asegura que los organismos tengan un suministro adecuado de oxígeno necesario para descomponer la materia orgánica que permanece en el efluente. El aporte de oxigeno también favorece la mezcla del licor mixto.

Los equipos mecánicos de aireación comúnmente utilizados incluyen difusores sumergidos que liberan el aire comprimido en la parte inferior del depósito, y aireadores superficiales mecánicos que introducen aire agitando la superficie del líquido.

El tiempo de retención hidráulica en los tanques de aireación suele oscilar entre 3 y 8 horas, pero puede ser mayor con una DBO5 alta.

Después de la etapa de aireación, los microorganismos se separan del líquido por sedimentación en el decantador secundario, y el líquido clarificado es un efluente secundario.

En este punto del tratamiento secundario de aguas residuales el fango va en una de estas dos direcciones. O bien se dirige de regreso al reactor biológico, esto se debe a que el fango de retorno contiene una gran cantidad de microorganismos que degradarán rápidamente la materia orgánica; o entra en la línea de fangos para su reducción de volumen y extracción de la EDAR.

Es decir, una parte del lodo biológico se recicla al tanque de aireación para mantener un alto nivel de sólidos suspendidos en licor mixto (MLSS), y el resto se elimina del tratamiento del agua para mantener una concentración relativamente constante de microorganismos en el sistema.

El agua tratada se dirige a la etapa de tratamiento terciario; aquí pasará por la etapa de tratamiento final antes de que vierta al cauce natural.

Ventajas de los fangos activados

✅ Tiene un bajo coste de construcción
✅ Ocupa un área pequeña de superficie
✅ Proporciona una buena estabilización del fango
✅ Produce un olor relativamente bajo
✅ Elimina un alto porcentaje de DBO5

Inconvenientes

✅ Tiene un alto coste de operación (principalmente debido a los equipos de aireación)
✅ Requiere un suministro alto de energía
✅ Necesita instrumentación avanzada para controlar los niveles de aireación.

⏺ Biofiltro en el tratamiento secundario de aguas residuales

Un biofiltro, o también llamado filtro de goteo, consiste en un depósito o torre lleno de medios de soporte como piedras, piezas de plástico, listones de madera, sales, y últimamente se están empleando diversos tipos de lana de roca. Las aguas residuales se introducen de forma continua o intermitente en el depósito y atraviesan los medios.

El influente fluye a través del material a velocidades suficientemente lentas para permitir el crecimiento microbiano en la superficie del medio. Los microorganismos se unen al medio y forman una capa biológica o una película fija.

El espaciado de los medios permite que el aire circule por todo el biofiltro. Una vez que se produce el crecimiento microbiano, el flujo continuo de aguas residuales tiene contacto con microorganismos. El contacto asegura que la materia orgánica del efluente del tratamiento primario se descompone.

La materia orgánica en las aguas residuales se difunde en la película, donde se metaboliza. El oxígeno normalmente se suministra a la película por el flujo natural de aire hacia arriba o hacia abajo a través de los medios, dependiendo de la temperatura relativa de las aguas residuales y del aire.

Se puede emplear aire forzado suministrado por soplantes, pero no es lo habitual. El grosor de la biopelícula aumenta a medida que crecen nuevos organismos. Periódicamente, porciones de la película se desprenden de los medios. El material desprendido se separa del líquido en un decantador secundario.

La biopelícula que cae del medio fluye a través del lecho de material y será transportada al decantador secundario donde se eliminará el exceso de fango. El líquido clarificado del decantador secundario es el efluente secundario. El fango en exceso del tratamiento secundario de aguas residuales se retira de la línea de agua o se recircula al biofiltro.

La recirculación de este fango en exceso tiene varias funciones:
✅ tratamiento adicional del agua residual
✅ mejorar la distribución hidráulica del agua residual sobre el filtro
✅ evitar que los microorganismos del filtro se sequen
✅ diluir la alta carga de materia orgánica procedente del tratamiento primario

Ventajas del biofiltro

✅ Tiene unos costes bajos de construcción
✅ No necesita aporte externo de oxígeno
✅ No dispone de sistemas eléctricos complejos

Inconvenientes

✅ Dependiente de la temperatura
✅ Es vulnerable a la congestión, lo que puede provocar inundaciones, fallos en el sistema, bajo suministro de oxígeno y flujo de agua restringido
✅ Suele ocupar más superficie que el proceso de fango activado
✅ En equipos antiguos es frecuente la aparición de averías, lo que obliga a un alto mantenimiento

⏺ Estanques de oxidación

Los estanques de oxidación son grandes y poco profundos, Una profundidad típica oscilaría entre 1 y 2,5 metros. Los estanques están llenos de microorganismos, que se alimentan de la materia orgánica recibida del efluente primario. Las algas son una característica clave en el sistema de estanques de oxidación.

Las algas se parecen mucho al tanque de aireación en un sistema de fango activado. Se favorece la entrega de un flujo constante de oxígeno a las bacterias. Las algas requieren luz solar para producir oxígeno a través de la fotosíntesis, la regeneración creada por el viento proporciona flujo de aire cuando no hay luz solar disponible.

En general, el proceso es lento y requiere grandes extensiones de tierra. Los estanques de oxidación se usan frecuentemente en el tratamiento secundario de aguas residuales de pequeñas poblaciones.

Ventajas de los estanques de oxidación:

✅Tienen un bajo consumo eléctrico
✅Degrada el nitrógeno y el fósforo

Inconvenientes de instalación en el tratamiento secundario de aguas residuales:

✅ Es un proceso lento
✅ Requiere largos tiempos de retención
✅ Su rendimiento depende del clima
✅ Ocupa una gran extensión de superficie
✅ Puede producir olores desagradables

⏺ Contactores biológicos giratorios

Los contactores biológicos rotativos (RBC, por sus siglas en inglés) son reactores de película fija similares a los biofiltros porque los organismos se unen a los medios de soporte. En el caso del CBR, los medios de soporte giran lentamente discos que están parcialmente sumergidos en aguas residuales que fluyen en el reactor.

El oxígeno se suministra a la biopelícula adjunta desde el aire cuando la película está fuera del agua y del líquido cuando se sumerge, ya que el oxígeno se transfiere a las aguas residuales por la turbulencia de la superficie creada por la rotación de los discos. Las piezas desprendidas de biofilm se eliminan de la misma manera descrita para biofiltros.

La biopelícula excedente se acumula en el agua residual por lo que es necesario utilizar un decantador secundario después del contactor biológico rotativo.

Principio de funcionamiento de un Contactor Biológico Rotativo (CBR)

Una película biológica crece en la superficie del medio de soporte. Se trata de una de una serie de discos montados sobre un eje y se colocan en un depósito con una forma adecuada para adaptarse a los discos. Los discos son normalmente de plástico o algún otro material resistente no corrosivo.

El contactor biológico rotativo tiene un tambor que está girando lentamente. Entre un tercio y un medio del equipo se encuentra sumergido en el agua residual a tratar.

La velocidad de rotación es generalmente de alrededor de 1 a 4 rpm. La rotación del disco lleva la película biológica en contacto con las aguas residuales para la eliminación de los compuestos orgánicos y con la atmósfera para la absorción de oxígeno. El exceso de biomasa (biopelicula) generada durante el ciclo se desprende por las fuerzas de cizallamiento ejercidas, ya que los discos giran. El exceso de biomasa es generalmente eliminada en un decantador secundario que se instala a la salida del CBR.

En la actualidad el CBR se instala de forma habitual en el tratamiento secundario de aguas residuales. Se emplea como una solución apropiada para la depuración de aguas residuales en pequeños núcleos de población, es decir, entre 2.000 y 5.000 habitantes equivalentes. Sin embargo, en depuradoras de tamaño grande (superiores a 30.000 habitantes equivalentes) los costes de construcción y de mantenimiento de estos equipos son elevados y poco competitivos frente a otras opciones.

En el tratamiento secundario de aguas residuales industriales, se han empleado diversas variantes. Como por ejemplo, la ubicación de contactores biológicos rotativos en decantadores. De esta forma, se transforma la parte superior en reactor biológico, y se mantiene el proceso de decantación en la zona inferior. También, se ha probado la incorporación en reactores de plantas de fangos activados con el objetivo de incrementar su capacidad.

Ventajas de los contactores biológicos giratorios

✅ Necesita poca superficie para su instalación.

✅ Tiene un bajo consumo energético
✅ La explotación es simple y menos costosa que los otros sistemas descritos anteriormente.
✅ Tiene un bajo nivel de ruidos debido a la escasa potencia instalada
✅ Mantienen buenos rendimientos en climas fríos porque están cubiertos y mantienen la temperatura del agua residual.

Inconvenientes del CBR en tratamiento secundario de aguas residuales

✅ Costes de implantación elevados debido a coste de los equipos.
✅ Instalación mecánica relativamente compleja.
✅ Los fangos generados están sin estabilizar.
✅ En el tratamiento secundario de aguas residuales el exceso de carga orgánica provoca una oxigenación insuficiente. Esto implica la generación de malos olores y bajo rendimiento del proceso.
✅ Las grasas y los sólidos en suspensión atascan el sistema por lo que resulta imprescindible eliminarlos previamente.