El tratamiento de fósforo en aguas residuales

¿Por qué importa el tratamiento del fósforo en aguas residuales?

En una EDAR se controlan los principales contaminantes: DBO5, DQO,…, pero desde hace tiempo también se da mucha importancia a la eliminación de nitrogeno y fósforo en aguas residuales. El motivo es que una elevada concentración de estos nutrientes provoca la eutrofización de las aguas de los ríos donde vierte el efluente de la EDAR.

El fósforo causa muchos problemas en la calidad del agua incluyendo disminución de la calidad del agua, disminución de los parámetros saludables de los ecosistemas, reducción del valor ambiental de zonas protegidas, pérdida de las poblaciones naturales, incluso contaminación de aguas potables.

El fósforo en EDAR

Las aguas residuales urbanas suelen contener de 5 a 20 mg/l de fósforo total, del cual el 1-5 mg/l es orgánico y el resto es inorgánico. La tendencia en ciudades es ascendente, porque el fósforo es abundante en los detergentes sintéticos. La presencia del fósforo varía entre 0.65 y 4.80 g/habitante al día con una media de unos 2.18 g. El fósforo suele encontrarse en soluciones acuosas como ortofosfatos y polifosfatos.

Los polifosfatos suelen sufrir un proceso de hidrólisis y se transforman en ortofosfatos. Este proceso suele ser muy lento. Los procesos de depuracion de aguas residuales sólo puede eliminar de 1 a 2 mg/l, así que una cantidad considerable de fósforo se descarga en el efluente final, causando efectos de eutrofización en las aguas superficiales. La nueva legislación declara el requerimiento de una concentración máxima de descarga de fósforo en aguas sensibles de 2 mg/l.

Cómo eliminar el fósforo en aguas residuales

La eliminación del fósforo de las aguas residuales implica la incorporación de fosfatos en los SST y la consecuente eliminación de estos sólidos. El fósforo puede incorporarse en sólidos biológicos (por ejemplo microorganismos) o en precipitados químicos.

La eliminación del fósforo se consigue normalmente mediante precipitación química o aplicando la tecnología BPR.

Precipitación de fosfatos

La precipitación química se usa para eliminar las formas inorgánicas del fosfato mediante la adición de un coagulante y la mezcla de agua residual y coagulante. Los iones de metales multivalentes más frecuentemente usados son calcio, aluminio y hierro.

Calcio:

Normalmente se añade en forma de caliza Ca(OH)2. Reacciona con la alcalinidad natural del agua residual para producir carbonato cálcico, que el principal responsable de la mejora en la eliminación de fósforo.

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 à 2CaCO3 ↓+ 2H2O

Como el valor del pH del agua residual aumenta hasta 10, el exceso de iones calcio reaccionan con el fosfato para precipitar como hidroxiapatito:

10 Ca2+ + 6 PO43- + 2 OH- ↔ Ca10(PO4)*6(OH)2 ↓

Desde el momento en que tiene lugar la reacción entre la caliza y la alcaninidad del agua residual, la cantidad requerida será en general independiente de la cantidad de fosfato presente. Dependerá principalmente de la alcalinidad del agua residual. La dosis de caliza requerida puede ser aproximadamente 1.5 veces la alcalinidad como CaCO3. Se requerirá la neutralización para reducir el pH antes de un posterior tratamiento o de la deposición. Se usa una recarbonatación con dióxido de carbono (CO2) para disminuir el valor del pH.

Aluminio y hierro:

La alúmina o sulfato de aluminio hidratado es frecuentemente usado para precipitar sulfatos y fosfatos de aluminio (AlPO4). La reacción es:

Al3+ + HnPO43-n ↔ AlPO4 + nH+

Esta reacción es aparentemente simple pero debe considerarse en muchas reacciones competitivas, sus constantes de equilibrio asociadas a los efectos en la alcalinidad, pH y elementros traza encontrados en aguas residuales. La dosis requerida es función de la eliminación de fosfatos que se quiera conseguir. La eficacia de la coagulación decrece al disminuir la concentración de fósforo. En la práctica, una tasa de eliminación del 80-90% se consigue con dosis de coagulante que se encuentran entre los 50 y los 200 mg/L. En general las dosis se establecen en base a pruebas de pequeña escala y en algunos casos mediante tests a gran escala, especialmente si se usan polímeros. Los coagulantes de aluminio pueden afectar negativamente a la población bacteriana en lodos activos, especialmente a protozoos y rotíferos a dosis superiores a 150 mg/L. Sin embargo no suele afectar mucho a la eliminación de DBO o SST, ya que la función de clarificación de los protozoos y rotíferos está en gran parte compensada por la mejoría en la eliminación de SS mediante precipitación química.

El cloruro o el sulfato férrico y el sulfato ferroso son frecuentemente usados para la eliminación del fósforo. La reacción de base es:

Fe3+ + HnPO43-n ↔ FePO4 + nH+

Los iones de hierro se combinan para formar fosfato férrico. Reaccionan lentamente con la alcalinidad natural y normalmente se añade un coagulante, como la caliza, para alevar el pH y facilitar la coagulación.

Los factores que intervienen en la reducción del fósoforo en aguas residuales

Los factores que afectan a la eliminación del fósforo en una EDAR son:

✅ Tiempo de residencia: La etapa anaerobia suele durar de 1 a 2 horas, tiempo suficiente para generar la máxima cantidad posible de AGV. La etapa aerobia es suficientemente elevada y no supone problemas de tiempo para la toma de fosfatos.

✅ Temperatura: Afecta directamente a la velocidad de crecimiento aunque su dependencia es menor que la que tienen las nitrificantes, teniendo a 20°C el doble de velocidad de crecimiento que estas últimas. A temperaturas bajas, entre 15°C y 18°C es posible eliminar fósforo sin nitrificación. Ciertos estudios han demostrado más efectividad de las “Poli-P” a 5°C que a 15°C.

✅ Oxígeno disuelto: Es necesario que esté ausente en la fase anaerobia y presente en la aerobia con una concentración suficiente de unos 2 mg/l para el proceso de desarrollo de bacterias heterótrofas pero posiblemente escaso para el desarrollo y actividad de las nitrificantes.

✅ Carga orgánica: Debe existir una fuente suficiente de carbono para que se desarrolle el proceso ya que una mayor cantidad de DQO fácilmente degradable favorece la formación de PHB y por tanto una mayor concentración de fósforo redisuelto en el agua. Esto se traduce en una toma de fosfatos mayor y más rápida en la fase aerobia. El tipo de materia orgánica también influye ya que el proceso comienza cuando las “Poli-P” disponen de una fuente de ácidos grasos volátiles.

✅ Nitratos: Si se encuentran presentes en la etapa anaerobia del proceso actúan como aceptores de electrones afectando muy negativamente al metabolismo de las bacterias “Poli-P” al producirse condiciones anóxicas. La presencia de nitrato favorece a las bacterias desnitirifcantes que compiten con las “Poli-P” por la materia orgánica disponible, provocando que estas últimas sinteticen menos PHB.

Los tratamientos para eliminar el fósforo en aguas residuales

Los principales procesos de eliminación del fósforo se emplean en el tratamiento primario o secundario. Siendo el segundo el más eficiente.

 La reducción del fósforo en el tratamiento primario

En el tratamiento primario la actuación adecuada consiste en una precipitación química, que se realiza en el tratamiento fisico-químico. Este es previo a la decantación primaria. El fósforo se elimina con una eficacia del 90% y la concentración final de P es inferior a 0.5 mg/L. La dosis química necesaria para la eliminación de fósforo es la misma que la necesaria para la eliminación de la DBO y de SS.

La dosis a emplear depende de la alcalinidad del agua: sólo el 10% de la caliza alimentada se usa en la reacción de eliminación del fósforo. La cantidad restante reacciona con la alcalinidad del agua, con ablandamiento. Para determinar la cantidad de caliza necesaria es posible utilizar diagramas: por ejemplo la caliza necesaria para alcanzar el pH 11 es de 2-2.5 veces la alcalinidad del agua.

La eliminación de fósforo en el tratamiento secundario

La mayor parte de la eliminación del fósforo en aguas residuales dentro de la EDAR sucede en el reactor biológico. Las principales ventajas de la eliminación de fósforo biológico son la reducción del coste de sustancias químicas y de la producción de fango, respecto a la precipitación química.

En los procesos de eliminación de fósforo, el fósforo en el influente del agua residual se incorpora a la célula de biomasa, que consecuentemente se elimina del proceso como resultado de la deposición del lodo. La configuración del reactor proporciona la acumulación de fósforo en organismos (PAO), con una ventaja competitiva con respecto a otras bacterias. De esta forma el PAO es favorecido en el crecimiento y en el consumo de fósforo. La configuración del reactor comprende un tanque anaeróbico y otro de lodos activos. El tiempo de retención en el tanque anaeróbico es de 0.50 a 1.00 hora, y su contenido se mezcla para proporcionar el contacto con el lodo activo que proviene del influente del agua residual.

En la zona anaeróbica: Bajo condiciones anaerobias, los PAO asimilan los productos de fermentación (ácidos grasos volátiles) en productos de almacenamiento en las células con la liberación de fósforo a que proviene de la acumulación de polifostatos. El acetato se produce mediante la fermentación de bsCOD, material orgánico degradable disuelto que puede ser asimilado fácilmente por la biomasa. Usando la energía acumulada en los polifosfatos, los PAO asimilan el acetato y producen productos de almacenamiento intracelular: polidroxibuturato (PHB).Al mismo tiempo que la absorción del acetato, tiene lugar la liberación de los ortofosfatos, además de cationes magnesio, potasio y calcio.El contenido de PHB en el PAO aumenta mientras que el polifosfato disminuye.

En la zona aeróbica: la energía se produce por la oxidación de los productos almacenados y de la acumulación de polifosfatos en el interior de las células. El PHB acumulado se metaboliza, proporcionando energía de la oxidación y carbono para el desarrollo de las nuevas células. Como consecuencia del metabolismo de PHB se produce también glicógeno. La energía liberada de la oxidación de PHB se emplea para formar enlaces de polifosfato en el almacenamiento celular. El ortofosfato soluble se elimina de la solución y se incorpora en los polifosfatos en el interior de las células bactéricas. La utilización del PHB favorece el desarrollo de las células y esta nueva biomasa con elevado almacenamiento de polifosfato justifica la eliminación del fósforo. Mientras una parte de la biomasa se elimina, el fósforo acumulado se elimina del bioreactor para una deposición definitiva con el lodo residual.

La cantidad de fósforo eliminado por la acumulación biológica se puede estimar mediante la cantidad de bsCOD que se encuentra disponible en el influente de agua residual. Se consigue un mejor funcionamiento del sistema cuando el acetato del bsCOD se encuentra disponible en una tasa constante.

La postprecipitación

La postprecipitación es un tratamiento estándar de efluentes secundarios, normalmente se usan sólo reactivos metálicos. Es el proceso que proporcionana las más altas eficiencias de eliminación de fósforo. La eficiencia puede alcanzar el 95%, y la concentración de fósforo en el efluente puede ser inferior a 0.5 mg/L. La postprecipitación también proporcina buenos niveles de eliminación de SS que evitan la sedimentación final del proceso secundario. La ventaja es además garantizar cierto nivel de purificación en el caso de que el proceso biológico no sea eficiente por cualquier motivo. La acción química es más fuerte, por lo tanto el tratamiento biológico transforma parte de los fosfatos orgánicos en ortofosfatos. Las desventajas son los elevados costes derivados de la planta de tratamiento (grandes cubas y tanques de mezcla), y en ocasiones un efluente demasiado diluido. Usando sales férricas también existe el riesgo de tener cierta concentración de hierro en el efluente, con coloración residual. La dosis de iones metálicos es aproximadamente de 1.5-2.5 iones por cada ion de fósforo ( una media de 10-30 g/mc de agua).

La coprecipitación

El proceso de coprecipitación es particularmente adecuado para plantas de lodos activos, donde los agentes químicos se alimentan directamente en el tanque de aereación o antes de él. La recirculación continua de lodo, junto con la coagulación- floculación y los procesos de absorción, permiten una reducción del consumo de reactivos químicos. Además, los costes de la planta son más bajos, ya que no se necesitan grandes tanques de postprecipitación. En este proceso los únicos agentes químicos que se añaden son hierro y aluminio, la caliza se añade sólo para hacer correciones de pH. Los inferiores costes y la mayor simplicidad se confrontan con una eficacia de eliminación inferior a la obtenida con la posprecipitación (por debajo del 85%). La concentración de fósforo en el efluente final es aproximadamente de 1 mg/L. Otra desventaja es que el lodo biológico y químico se mezclan, por lo que no pueden usarse separadamente en las etapas siguientes. Los lodos mezclados necesitan tanques de sedimentación más grandes que el correspondiente a los lodos activos.

La tecnología EBPR para la eliminación de fósoforo en aguas residuales

La tecnología EBPR es actualmente una de las alternativas más económicas y sostenibles para evitar la eutrofización de los ríos y embalses. Sus siglas vienen de las palabras inglesas: ehanced biological phosphorus removal.

El proceso de eliminación biológica del fósforo transcurre gracias a los organismos acumuladores de fósforo. Se trata de un proceso de dos etapas. Estas son:

✅ Etapa 1: Es anaerobia debido a la ausencia de oxígeno, nitrato y nitrito. Los PAO (polyphosphate accumulating
organims, PAO) son capaces de acumular intracelularmente compuestos orgánicos de cadena corta (ácidos grasos volátiles, AGV) en forma de polímeros internos de reserva (polihidroalcanoatos, PHA). La energía necesaria para realizar esta captación y acumulación de materia orgánica la obtienen de la hidrólisis de las cadenas de polifosfatos intracelulares que contienen estos microorganismos, liberando al medio fósforo en forma de ortofosfato. La captación de materia orgánica en condiciones anaerobias representa una ventaja competitiva de los PAO frente a otros microorganismos que son incapaces de asimilar dicha materia orgánica en estas condiciones.

✅ Etapa 2: Es aerobia, debido a la presencia de oxígeno, o anóxica por la presencia de nitrato y nitrito. En esta etapa las PAO degradan la materia orgánica acumulada obteniendo energía para el crecimiento y el mantenimiento celular. Parte de la energía liberada se emplea para captar ortofosfato del medio y acumularlo en forma de cadenas de polifosfato que son empleadas como reserva de energía en condiciones anaerobias. El resultado de estas dos etapas consecutivas es la captación de fósforo del agua residual y su eliminación del sistema mediante la purga de fangos.