Tratamientos físicos en las tecnologías de depuración de aguas residuales

Tecnologías de depuración de aguas residuales físicas, químicas, físico-químicas y biológicas. ¿Cuáles son los criterios de diseño y dimensionamiento de equipos? En este fragmento extraído del texto correspondiente al Módulo III del “Curso Especializado de tratamiento de Aguas residuales“, se da respuesta a estas preguntas. 

III.1. Tratamientos físicos.

En el presente bloque se van a estudiar distintos procesos que fundamentalmente, tienen como objetivo eliminar las partículas sólidas en suspensión que acompañan al agua residual, así como los aceites y las grasas. Además, simultáneamente se elimina parte de la materia orgánica.

III.1.1 Desbaste

Esta operación tiene por objeto eliminar los sólidos gruesos (tamaño grande – medio) por retención en rejas y/o tamices.

Las rejas de barras son un conjunto de barras de acero inoxidable que se dispone perpendicularmente a la dirección de la corriente, de forma vertical o con una ligera pendiente (entre 30 y 45°, a partir de la horizontal). Se clasifican en función del tamaño entre barrotes en gruesas (separación 50 – 100 mm) y finas (3 – 10 mm). Para eliminar los sólidos retenidos se utilizan cuchillas o rasquetas cuyo funcionamiento puede ser manual o automático.

El diseño de las rejas de barras incluye el diseño del propio canal por donde circula el agua. Bajo condiciones normales de caudal, la velocidad de llegada a la reja debe ser entre 0,60 – 1,2 m/s. Esta velocidad impide tanto la sedimentación en el canal como el arrastre a través de las rejas.

Los tamices consisten en placas perforadas o mallas metálicas a través de las cuales pasa el agua residual. Tienen aberturas más pequeñas que las rejas y por tanto provocan mayor pérdida de carga, por lo que sólo se utilizan en depuradoras de pequeño tamaño o en algunas ocasiones como segunda separación, situándolos detrás de las rejas.

Los valores típicos de sólidos separados en las rejas o tamices, suelen oscilar entre los siguientes valores:

–    Rejas:          0,035 – 0,375 m3 sólidos/100 m3 agua

–    Tamices:      0,375 – 2,25 m3 sólidos/100 m3 agua

 

Los sólidos retenidos se transportan generalmente a vertederos, aunque en ocasiones la legislación obliga a estabilizarlos con cal.

III.1.2 Desarenado

El objetivo de esta operación es eliminar todas aquellas partículas de granulometría superior a 200 µm, 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. Se utilizan dos tipos de desarenadores:

  • Desarenador de flujo horizontal. Consisten en un canal por el que circula el agua a velocidad reducida (0,2 – 0,4 m/s), lo que combinado con la longitud del canal se obtiene el tiempo de residencia necesario para la sedimentación. Se diseñan para separar partículas con velocidades de sedimentación de hasta 0,01 m/s. Las arenas se extraen bien de forma manual o automática (según el tamaño de la planta) del fondo del canal.
  • Desarenador aireado. Esta técnica consiste en airear desde el fondo del sedimentador para provocar un movimiento helicoidal de las partículas sólidas favoreciendo su sedimentación, y la ascensión de las grasas (menos densas que el agua). Tienen la ventaja de que se obtienen las arenas completamente limpias (se evita el lavado posterior) y además se separan las grasas al mismo tiempo.

La superficie horizontal del desarenador se calcula en función de la velocidad de sedimentación de las partículas de menor tamaño que deben retenerse y del caudal máximo que circulará por el mismo. Su sección transversal es función de la velocidad horizontal de flujo deseada.

Los desarenadores se diseñan para eliminar partículas de arenas de tamaño superior a 0,200 mm y peso específico medio de 2,65, obteniéndose un porcentaje de eliminación del 90 %. Si el peso específico de la arena es bastante menor de 2,65, deben usarse velocidades de sedimentación inferiores a las anteriores.

III.1.3 Sedimentación

La sedimentación es una operación unitaria que consiste en la separación, por acción de la gravedad, de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida, de manera que se obtiene una suspensión concentrada y un líquido claro. La eliminación de los sólidos mediante sedimentación se basa en la diferencia de peso específico entre las partículas sólidas y el líquido donde se encuentran. Cuanto mayor sea la diferencia entre la densidad de ambas fases (sólido y fluido), más fácil será la separación.

Se utilizan sedimentadores circulares y rectangulares, con tiempos de residencia comprendidos entre 30 minutos y 4 horas. En los tanques de sedimentación se consiguen eliminar hasta un 70 % de los sólidos en suspensión totales, que se extraen por medio de colectores mecánicos, en forma de lodos. Durante la sedimentación de las partículas sólidas, en su mayoría de carácter mineral, éstas arrastran y adsorben una cierta cantidad de materia orgánica y bacterias, por lo que también se produce una reducción moderada de la DBO.

En los tanques rectangulares, la entrada del agua residual se realiza por uno de los extremos y recorre el tanque de un extremo a otro sedimentándose los sólidos y recogiéndose el agua “limpia” mediante vertederos situados en el extremo contrario. Los fangos son arrastrados mediante rascadores de madera o plástico, que se desplazan accionados por una cadena y que los impulsan hacia un colector de fangos situado en el extremo por el que entra el agua residual. Los mismos rascadores, que hacen el recorrido de vuelta por encima de la superficie del tanque, se utilizan para desplazar las espumas hacia un canal que las recoge y las envía al colector de espumas.

Los tanques circulares cuentan con un brazo desnatador que está unido a la rasqueta de lodos. A diferencia de los tanques rectangulares, cuyo flujo es horizontal, en los tanques circulares es de tipo radial. El agua a tratar se introduce por el centro o por la periferia del tanque. Los sólidos decantan y se recogen por el fondo mediante rascadores que impulsan los fangos hacia un conducto central en el que son recogidos. El agua clarificada rebosa por un vertedero perimetral o central.

En el diseño de sedimentadores hay que tener en cuenta las fuerzas que actúan sobre una partícula libre: fuerza de la gravedad (función de su masa), fuerza de flotación (función de la masa de líquido que desaloja) y fuerza de rozamiento (función del coeficiente de rozamiento). Las dos primeras son constantes y la tercera aumenta con el tiempo, ya que la velocidad aumenta con el tiempo hasta alcanzar un valor constante, que es lo que se denomina velocidad terminal gravitatoria. Dicha velocidad va a depender del coeficiente de rozamiento que a su vez depende el número adimensional de Reynolds. Los criterios de diseño de los tanques de sedimentación primaria se presentan en la Tabla III.1.

 

Tabla III.1. Datos de diseño para tanques de decantación primaria.

Característica Intervalo Típico
Carga de superficie (m3/ m2·h):

A caudal punta

A caudal medio

Tiempo de residencia (h)

Carga sobre vertedero (m3/m·h)

Rectangular:

Profundidad (m)

Longitud (m)

Anchura (m)

Velocidad de los rascadores (m/min)

Circular:

Profundidad (m)

Diámetro (m)

Pendiente solera (mm/m)

Velocidad de giro de los rascadores (rpm)

 

3,4 – 5,1

1,35 – 2,03

1,5 – 2,5

5,16 – 20,6

 

3 – 4,5

15 – 90

3 – 25

0,6 – 1,2

 

3 – 4,5

3 – 60

65 – 160

0,02 – 0,05

 

4,25

1,75

2

10,32

 

3,6

25 – 40

5 – 10

0,9

 

3,6

12 – 45

80

0,03

 

Aunque la sedimentación es una operación unitaria utilizada en casi todas las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas en la decantación primaria y secundaria, sólo se emplea, en un tratamiento industrial, cuando el residuo está combinado con vertidos urbanos o contiene un alto porcentaje de sólidos en suspensión precipitables, como sucede en las fábricas de conservas, papel, lavaderos de carbón o eliminación de escorias en la industria de la fundición.

III.1.4 Flotación

La flotación, al igual que la sedimentación, es un proceso de separación sólido-líquido de una suspensión de ambos elementos, basado en la diferencia de densidades. La diferencia con la sedimentación consiste en que mediante la flotación se pretende separar de la suspensión aquellos elementos sólidos que, por su menor densidad respecto al líquido, pueden flotar. Esta menor densidad de las partículas sólidas puede ser real o provocada. La “flotación provocada” se aprovecha de la aptitud de ciertas partículas sólidas para unirse a burbujas de gas (generalmente aire) y formar conjuntos partículas-gas menos densos que el líquido.

Para llevar a cabo un proceso de “flotación provocada” la fase líquida se somete a un proceso de presurización hasta alcanzar entre 2 y 4 atm en presencia de aire, de esta forma se consigue la saturación en aire del agua. Luego, el agua se hace pasar a través de una válvula de expansión donde se despresuriza hasta presión atmosférica. En esta situación, el aire se desprende de la solución en forma de pequeñas burbujas. Los sólidos presentes en el agua residual se pueden asociar a estas burbujas, disminuyendo su densidad y ascendiendo a la superficie. Los sólidos concentrados se eliminan de la superficie mediante métodos mecánicos, y el agua clarificada se suele separar cerca del fondo. Además, parte de este agua clarificada se puede recircular.

Los resultados obtenidos de muestras de varios vertidos industriales tratados por el sistema de flotación por aire disuelto, indican unas reducciones en sólidos en suspensión y DBO5, del 79 al 97,5 y del 60 al 91,8 %, respectivamente, según se muestra en la Tabla III.2.

 

Tabla III.2. Rendimientos típicos de un sistema de flotación en función del vertido.

Fuente: Nemerow N.L. Aguas residuales industriales: Teorías, aplicaciones y Tratamiento. H. Blume Ediciones. Madrid, 1977.

Procedencia del vertido Sólidos en suspensión en influente (mg/L) Reducción sólidos en suspensión (%) DBO5 en influente (mg/L) Reducción DBO5 (%)
Producción de petróleo 441 95
Mantenimiento de ferrocarriles 500 95
Conservas de carne 1400 85,6 1225 67,3
Fabricación de papel 1180 97,5 210 62,6
Producción de aceite vegetal 890 94,8 3048 91,6
Fábricas de conservas vegetales 1350 80 790 60
Fabricación de jabón 392 91,5 309 91,6
Lodos de fosas sépticas 6448 96,2 3399 87
Tratamiento primario de vertidos 252 69 325 49,2
Fabricación de colas 542 94,3 1822 91,8

 

III.1.5 Filtración

La filtración es un procedimiento en el que se utiliza el paso de una mezcla sólido-líquido a través de un medio poroso (filtro) que retiene los sólidos y deja pasar los líquidos (filtrado).

La operación completa de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración. La fase de filtración en la que se elimina la materia en suspensión, se lleva a cabo haciendo circular el agua a través de un lecho granular, con o sin la adición de reactivos químicos. Dentro del medio granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua residual se realiza mediante un complejo proceso en el que intervienen uno o más mecanismos de separación. El final del ciclo de filtrado se alcanza cuando empieza a aumentar el contenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un nivel máximo aceptable, o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la circulación a través del lecho filtrante. Idealmente ambas circunstancias se producen simultáneamente. Una vez se ha alcanzado cualquiera de estas condiciones, se termina la fase de filtración, y se debe lavar el filtro a contracorriente para eliminar la materia que se ha acumulado en el lecho granular filtrante. Para ello, se aplica un caudal de agua de lavado suficiente para fluidizar (expandir) el medio filtrante granular y arrastrar el material acumulado en el lecho.

Los filtros pueden clasificarse en dos tipos en función del mecanismo filtrante o lugar de retención del sólido: 

  • Filtros de torta: el mecanismo utilizado para retener los sólidos es el efecto tamiz, esto es, el tamaño de las partículas retenidas es mayor que el de los poros o huecos del medio filtrante. La separación se realiza sobre la superficie de un soporte, sobre el cual se van reteniendo los sólidos formando una capa adicional o torta, a través de la cual tiene que pasar la suspensión. El espesor de esta torta va aumentando según progresa la filtración y puede actuar también como medio filtrante, dependiendo del grado de compactación y porosidad de dicha torta. Estos filtros se utilizan para separar grandes cantidades de sólidos de diferentes suspensiones líquidas.
  • Filtros de profundidad o clarificadores: el mecanismo es de adhesión y/o atrapamiento de las partículas sólidas por el medio filtrante. Los sólidos atrapados pueden tener un tamaño de partícula inferior a los poros o huecos del medio filtrante, pero éste tiene un espesor mucho mayor que los anteriores para permitir que los fenómenos de adhesión y/o atrapamiento se produzcan en la extensión deseada. Se utilizan para eliminar pequeñas cantidades de sólidos en algunos líquidos transparentes.

De manera general, la eficacia de eliminación de partículas suspendidas en un medio filtrante está relacionada con las siguientes características de la suspensión:

  • Tipo de partículas suspendidas.
  • Tamaño de partículas suspendidas
  • Densidad de partículas suspendidas.
  • Resistencia o dureza de las partículas suspendidas.
  • Temperatura del agua a filtrar.
  • Concentración de los sólidos en suspensión:
  • Potencial zeta de la suspensión.
  • pH del afluente.

Entre las características del medio filtrante que influyen en la filtración, destacan:

  • Tipo del medio filtrante.
  • Características granulométricas del material filtrante.
  • Peso específico del material filtrante.
  • Espesor de la capa filtrante.

La filtración se emplea en el tratamiento de agua para eliminar los sólidos presentes en las aguas superficiales, precipitados del ablandamiento del agua con cal, y precipitados de hierro y manganeso presentes en muchos suministros de agua de pozo. En el tratamiento de agua residual, la filtración se emplea para eliminar el flóculo biológico del efluente secundario decantado, precipitados de fosfatos y los sólidos que permanecen después de la coagulación química de las aguas residuales en los procesos de tratamiento físico-químicos.

III.1.6 Adsorción

La adsorción consiste en la separación de uno o más componentes de una corriente fluida (gas o líquida) mediante su retención en un sólido poroso (adsorbente). Los sólidos adsorbentes suelen actuar selectivamente en función del tamaño de sus poros y de las moléculas contenidas en los fluidos. El más utilizado es el carbón activo. Los adsorbentes deben presentar elevada superficie específica (superficie accesible por unidad de masa de sólido).

La adsorción suele realizarse en columna, en la que el solvente está en fase líquida, y es introducido por cabeza de columna, siendo puesto en contacto prolongado con un lecho de adsorbente, que se encuentra en el interior de la columna. El contacto puede efectuarse a presión atmosférica o bajo presión, en función de la viscosidad de la mezcla de alimentación. La solución tratada se recupera por la parte inferior de la columna, teniendo solo trazas del adsorbato, si las condiciones de operación han sido óptimas. El adsorbato permanece en el adsorbente y se podrá recuperar mediante el proceso de desorción.

Los factores que influyen sobre la eficacia de la adsorción dependen por un lado de la naturaleza de los compuestos puestos en juego y por otro lado de las condiciones experimentales del proceso.

La curva de rotura de la columna es la curva que relaciona la evolución de la concentración del soluto a la salida de la columna con el tiempo, según se muestra en la Figura III.1.

 

Figura III.1. Curva de rotura.

 

A partir de los datos de un experimento de adsorción en lecho fijo, se obtienen los siguientes parámetros que permiten caracterizar la curva de rotura y definir el diseño de un lecho para llevar a cabo una separación determinada:

Tiempo de rotura (min): tiempo que tarda en aparecer el adsorbato en el efluente con una concentración entre 0,05-0,1 de la concentración inicial del adsorbato en el alimento (C0).

Tiempo final de la curva (min): tiempo en que se alcanza la saturación del lecho, momento en que las concentraciones de adsorbato en el alimento y en el efluente se hacen coincidentes.

Pendiente de la curva de rotura, p (%/min): parámetro directamente proporcional a la velocidad con que transcurre el proceso de adsorción.

Capacidad de adsorción, qa (g adsorbato retenido/g adsorbente). Para determinar este parámetro, la masa total adsorbida (mads) se calcula empleando el siguiente balance de materia, válido si el caudal permanece constante:

Donde:

ρ0 : densidad de la mezcla alimentada

Q0 : caudal volumétrico de la mezcla alimentada

X0 : fracción másica de adsorbato en el alimento

tF: tiempo final

XS (t) : fracción másica de adsorbato a la salida del lecho

tR : tiempo de residencia en la instalación

 

La capacidad de adsorción se obtiene dividiendo la masa adsorbida entre el peso de adsorbente utilizado. Se puede, por tanto, a partir de esta curva experimental, determinar el tiempo máximo de utilización del lecho sin proceder a la desorción o antes de cambiar el adsorbente. Este parámetro permite comparar la eficiencia de la adsorción entre varios experimentos.

La necesidad de una mayor calidad del efluente de los tratamientos de aguas residuales ha conducido a un aumento de su utilización en la actualidad. Generalmente, la operación de adsorción es una operación del tratamiento terciario y, por tanto, se da después del tratamiento biológico convencional, eliminando materia orgánica disuelta. También tiene un cierto campo de aplicación en la adsorción de algunos elementos inorgánicos como antimonio, arsénico, cromo, cobalto, mercurio, plata o estaño.

III.1.7 Operaciones con membranas

La capacidad de diferentes tipos de membranas de separar, concentrar y purificar determinadas sustancias presentes en medios fluidos es conocida desde los siglos XVIII y XIX. Sin embargo, la aplicación de las membranas a escala industrial como agentes de separación se ha desarrollado fundamentalmente durante los últimos cuarenta años. La membrana actúa como una barrera semipermeable que se interpone entre dos fases fluidas. Controla selectivamente el intercambio de materia entre las mismas al dejar pasar a determinados componentes (permeado) y rechazar a los restantes (concentrado).

Entre las ventajas que presentan las operaciones de separación mediante membranas cabe citar:

  • Bajo consumo de energía.
  • Condiciones de operación suaves.
  • Posibilidad de obtener elevadas selectividades y eficacias.
  • Los equipos de membranas son compactos y modulares.
  • No son equipos caros.

La principal limitación de este tipo de separaciones reside en la sensibilidad de la membrana, ya que tiende a deteriorarse y/o ensuciarse con el paso del tiempo, siendo necesario reemplazarla con una cierta periodicidad.

El desplazamiento de las especies a través de la membrana está provocado por la existencia de una fuerza impulsora entre ambos lados de la misma. En la Tabla III.3 se resumen las características más relevantes de las operaciones con membranas que se encuentran actualmente en fase de aplicación comercial para el tratamiento de aguas residuales.

 

Tabla III.3. Características de las operaciones con membranas.

OPERACIÓN TIPO DE MEMBRANA TIPO DE MEMBRANA COMPONENTES PERMEADOS
Diálisis DCi Densa Solutos
Electrodiálisis DV Int. Iónico Iones
Microfiltración DP Porosa Disolvente
Nanofiltración DP Porosa Disolvente
Ultrafiltración DP Porosa Disolvente
Ósmosis inversa DP Densa Disolvente

 

La mayoría de las membranas se fabrican de derivados de celulosa, como el nitrato o el acetato de celulosa y pueden tener tres disposiciones:

  • Tubular: Consiste en tubos largos en cuyo interior circula el alimento, obteniéndose el permeado por la parte exterior. Su baja relación superficie tamaño, los hace poco económicos para la mayoría de los procesos.
  • Espiral: Consiste en enrollar dos membranas rectangulares, cuyos bordes han sido pegados por tres de sus lados, constituyendo un saco de dos caras activas, sobre un tubo central perforado, que recoge el permeado, es decir, fluido que atravesó las caras activas del saco. Son membranas muy utilizadas ya que producen elevados flujos de permeado con moderadas caídas de presión, aunque tienen tendencia al ensuciamiento.
  • Fibra Hueca: La alimentación circula por el exterior de las fibras huecas y el permeado se obtiene por el interior. Las fibras, en número variable, son pegadas y cerradas por un extremo, mientras que por el otro extremo se recoge el permeado, estando encerradas en un tubo de presión, que es también su empaquetadura. Debido a su elevada superficie activa permite obtener grandes flujos de permeado, por lo que su diseño es económico.

El rendimiento de las operaciones con membranas se evalúa de acuerdo con los siguientes parámetros:

Donde:

QP Caudal de permeado

QA: Caudal de alimento

CP : Concentración en el permeado del compuesto a separar

CA: Concentración en el alimento del compuesto a separar

El sistema de ósmosis inversa tiene sus principales aplicaciones en la desalinización de aguas salobres. La nanofiltración se utiliza fundamentalmente para ablandar aguas, y eliminar precursores de subproductos de las operaciones de desinfección. Ultrafiltración y microfiltración, se utilizan para la eliminación de turbidez, patógenos, y partículas. De manera general, se puede decir que, la membrana sirve de barrera para eliminar especies suspendidas, coloidales o disueltas en cualquier disolvente.

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