Tratamiento de aguas residuales para niños

El tratamiento de aguas residuales es un conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos que buscan eliminar los elementos no deseados presentes en el agua que ha sido usada por personas o en otras actividades.

La forma más común de controlar la contaminación del agua usada es tratarla en plantas especiales. Allí se elimina la mayor parte de los elementos contaminantes, dejando una pequeña parte que la naturaleza puede terminar de limpiar cuando el agua regresa a un río o lago. El nivel de limpieza necesario depende de la capacidad del río o lago para limpiarse por sí mismo. Esta capacidad natural depende de la cantidad de agua del río, de cuánto oxígeno tiene y de su habilidad para recuperar oxígeno. Por lo tanto, el objetivo del tratamiento es que el agua limpia pueda volver al ambiente o ser reutilizada, y que los residuos sólidos (llamados lodos o biosólidos) puedan ser eliminados o aprovechados de forma segura.

El agua usada se genera en casas, escuelas, tiendas, industrias y granjas. Puede tratarse en el mismo lugar donde se produce (por ejemplo, con fosas sépticas) o puede ser recogida y llevada por tuberías a una planta de tratamiento municipal. Las normas locales y nacionales regulan cómo se recoge y trata el agua usada de los hogares. A veces, el agua usada de la industria contiene elementos que necesitan tratamientos especiales.

El tratamiento del agua usada comienza separando los objetos grandes (como basura) con rejillas. Luego, se quita la arena y otras partículas pequeñas y densas. Después, se realiza una primera separación de los sólidos que están flotando o suspendidos en el agua. Para eliminar metales disueltos, se usan reacciones que los hacen precipitar, como el plomo y el fósforo. Después, la materia biológica disuelta se convierte en una masa sólida usando bacterias adecuadas que ya están en el agua. Una vez que esta masa biológica se separa, el agua tratada puede pasar por procesos adicionales, como la desinfección o la filtración. El agua final limpia puede ser devuelta a un río, lago o bahía, o a la tierra.

El agua y el saneamiento son muy importantes para la salud de las personas. Son como la base de la salud, porque si todos tienen acceso a agua limpia y a instalaciones sanitarias adecuadas, se gana una gran batalla contra muchas enfermedades.

Dr. LEE Jong-wook, Director General, Organización Mundial de la Salud.

Una nueva directiva europea de 2024 busca mejorar aún más el tratamiento de las aguas usadas de las ciudades para tener agua de mejor calidad, cuidar los recursos hídricos, proteger el ambiente y ayudar a reducir la contaminación.

Actualmente, la tendencia es que las tuberías para el agua de lluvia estén separadas de las tuberías para el agua usada. Así se evita que se desborden y se puede aprovechar el agua de lluvia.

¿Cómo funciona el tratamiento de aguas residuales?

Central para el tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Múnich, Alemania.

El proceso de tratamiento suele tener tres etapas principales:

• Tratamiento primario: Se separan y asientan los sólidos grandes.
• Tratamiento secundario: Se usa un proceso biológico para limpiar la materia orgánica y reducir la cantidad de oxígeno que el agua necesita para descomponerla.
• Tratamiento terciario: Son pasos adicionales como la microfiltración o la desinfección para dejar el agua aún más limpia.

El agua usada proviene de baños, duchas, cocinas, etc., y va a las alcantarillas. En muchos lugares, el agua usada también incluye algo de agua de industrias y comercios. En algunos países, el agua de las casas se divide en "aguas grises" (de lavabos y duchas) y "aguas negras" (de inodoros y cocinas). Las aguas grises pueden usarse para regar plantas o para el inodoro, donde luego se convierten en aguas negras. Las aguas negras son muy turbias y tienen muchos sólidos. Son una causa importante de contaminación del agua por su contenido de materia orgánica, microorganismos y jabones. Si estas aguas se vierten sin tratar en ríos, pueden causar problemas graves, como la disminución del oxígeno en el agua, lo que afecta a los seres vivos.

Muchas aguas usadas también incluyen agua de lluvia. Esta agua de lluvia puede arrastrar contaminantes de los tejados o del suelo, como partículas de tierra, metales, compuestos orgánicos, desechos de animales, aceites y grasas. Algunas leyes exigen que el agua de lluvia reciba algún tipo de tratamiento antes de ser devuelta al ambiente. Ejemplos de tratamientos para el agua de lluvia incluyen depósitos donde se asientan los sólidos, humedales y separadores especiales para quitar partículas grandes.

El lugar donde se realizan estos procesos se llama Estación depuradora de aguas residuales. El proceso general es similar en muchos países.

Tratamiento físico: Primeros pasos para limpiar el agua

• Tamizado: Se usan mallas para retener partículas grandes.
• Remoción de gas: Se eliminan gases.
• Remoción de arena: Se quita la arena y otras partículas densas.
• Precipitación: Se añaden sustancias para que los contaminantes se unan y caigan al fondo.
• Separación y filtración de sólidos: Se separan los sólidos del agua.

Añadir cloruro férrico ayuda a eliminar gran parte del fósforo y a que los lodos se asienten.

Tratamiento biológico: Las bacterias ayudan a limpiar

• Lechos oxidantes o sistemas aeróbicos: Se usan bacterias que necesitan oxígeno para descomponer la materia orgánica.
• Precipitación: Los materiales se asientan.
• Liberación al medio: El agua limpia se devuelve al ambiente, a veces después de desinfectarla.
• Biodigestión anaeróbica y humedales artificiales: Se usan bacterias que no necesitan oxígeno para descomponer la materia orgánica del agua usada, aprovechándola como alimento en condiciones controladas.

Tratamiento químico: Usando sustancias para purificar

Este paso a menudo se combina con la eliminación de sólidos, como la filtración.

Eliminación de hierro del agua potable

Para quitar el exceso de hierro del agua potable, se suele añadir cloro y luego cal para hacer el agua más básica. Esto oxida el hierro y lo hace precipitar. Al mismo tiempo, el cloro ayuda a eliminar microorganismos.

Eliminación de oxígeno del agua en centrales térmicas

En las centrales térmicas, el agua se convierte en vapor a altas temperaturas. Como el oxígeno puede causar oxidación, se usa un agente reductor como el hidrógeno para eliminarlo.

Eliminación de fosfatos de aguas usadas

El tratamiento del agua usada de los hogares incluye la eliminación de fosfatos. Un método sencillo es hacer que los fosfatos precipiten con cal.

Eliminación de nitratos de aguas usadas

Se usan dos procesos combinados: la nitrificación y la desnitrificación. Esto produce un lodo que se puede manejar fácilmente.

Etapas detalladas del tratamiento de aguas residuales

Tratamiento primario: Separando lo más grande

El tratamiento primario busca reducir aceites, grasas, arenas y sólidos grandes. Esta etapa se hace con máquinas, por eso también se le llama tratamiento mecánico.

Eliminación de sólidos, cribado o desbaste

Los sólidos grandes, como botellas, palos, bolsas o llantas, se quitan con cribas (mallas). Esto evita que tapen tuberías o dañen equipos en la planta de tratamiento.

Filtración con arena y gravas

En esta etapa, el agua usada pasa por un canal donde la velocidad se controla para que la arena y las piedras se asienten. Este equipo se llama colector de arena. La arena y las piedras deben quitarse a tiempo para evitar daños en las bombas y otros equipos.

Investigación y maceración

El líquido sin abrasivos pasa por pantallas giratorias para quitar materiales flotantes y partículas grandes como trapos, o pequeñas como chícharos y maíz. Los residuos se recogen. En la maceración, los sólidos se cortan en partículas pequeñas con cuchillos giratorios.

Sedimentación

Muchas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua usada pasa por grandes tanques circulares o rectangulares, llamados clarificadores primarios. Estos tanques son lo suficientemente grandes para que los sólidos fecales se asienten y los materiales flotantes como la grasa suban a la superficie para ser retirados. El objetivo principal es obtener un líquido más uniforme para el tratamiento biológico y un lodo que se tratará por separado.

Tratamiento secundario: Limpieza biológica profunda

El tratamiento secundario está diseñado para reducir significativamente el contenido biológico del agua usada, que proviene de desechos humanos, restos de comida, jabones y detergentes. La mayoría de las plantas municipales usan procesos biológicos que necesitan oxígeno para esto.

Fangos activados o lodos activados

Las plantas de fangos activados usan oxígeno disuelto para que crezcan organismos biológicos que eliminan gran parte de la materia orgánica. También pueden atrapar partículas.

Camas filtrantes (camas de oxidación)

Filtro oxidante en una planta rural.

En plantas más antiguas o con cargas variables, se usan camas filtrantes donde el agua usada se rocía sobre una cama profunda de carbón, piedra caliza o plástico especial. Estos materiales tienen mucha superficie para que se formen capas de bacterias. El agua gotea a través de la cama y se recoge en drenajes en la base. Estos drenajes también permiten que el aire entre, manteniendo un ambiente con oxígeno. Las bacterias, protozoos y hongos forman capas en la superficie y se alimentan de los contenidos orgánicos.

Placas rotativas y espirales

En algunas plantas pequeñas, se usan placas o espirales que giran lentamente y están parcialmente sumergidas en el agua. Esto crea una masa biológica que ayuda a limpiar el agua.

Reactor biológico de cama móvil

Este reactor añade materiales inertes a los tanques de fangos activados para que la biomasa se adhiera. Esto ayuda a mantener una alta concentración de bacterias y aumenta la eficiencia del sistema.

Filtros aireados biológicos

Los filtros aireados biológicos combinan la filtración con la reducción biológica de carbono, nitrificación o desnitrificación. Contienen un reactor lleno de material filtrante que soporta una biomasa activa y filtra los sólidos suspendidos.

Reactores biológicos de membrana

Un reactor biológico de membrana (MBR) usa una membrana semipermeable junto con el proceso de fangos. Esta tecnología asegura la eliminación de todos los contaminantes suspendidos y sólidos disueltos. Aunque es muy eficaz, su costo de construcción y operación suele ser más alto.

Sedimentación

El último paso del tratamiento secundario es retirar las masas biológicas del material filtrado para obtener agua limpia con bajos niveles de materia orgánica y suspendida. En una planta rural, esto se hace en el tanque de sedimentación secundaria.

Tratamiento terciario: El toque final para el agua

El tratamiento terciario es una etapa final para mejorar la calidad del agua antes de que sea devuelta al ambiente (mar, río, lago, tierra, etc.). Se pueden usar varios procesos terciarios. Si se desinfecta, siempre es el último paso.

Filtración

La filtración con arena retiene gran parte de los residuos suspendidos. El carbón activado restante de la filtración retiene las sustancias no deseadas.

Lagunaje

Esquema de una depuradora por lagunaje.

El tratamiento en lagunas implica almacenar el agua en charcos o lagunas artificiales para una sedimentación y mejora biológica adicional. Es una imitación de cómo un río o lago se limpia naturalmente. Estas lagunas tienen mucho oxígeno y a menudo crecen plantas acuáticas como cañas. Pequeños invertebrados que filtran el agua, como las dafnias, también ayudan a limpiar las partículas finas. Este sistema es económico y fácil de mantener, pero necesita mucho espacio y no es muy eficiente para grandes ciudades.

Humedales artificiales

Los humedales artificiales, como las camas de caña, son métodos similares que proporcionan una gran mejora biológica con oxígeno y a menudo se usan en lugar del tratamiento secundario para poblaciones pequeñas. También pueden usarse para limpiar el suelo y el agua con plantas.

Remoción de nutrientes

El agua usada puede contener altos niveles de nitrógeno y fósforo. Estos nutrientes, en ciertas formas, pueden ser perjudiciales para peces e invertebrados o causar problemas en el ambiente, como el crecimiento excesivo de algas. Las algas pueden producir sustancias dañinas, y cuando mueren y son descompuestas por bacterias, pueden agotar el oxígeno en el agua, asfixiando a los peces. La eliminación de nitrógeno o fósforo se puede lograr mediante procesos químicos o biológicos.

El nitrógeno se elimina con la oxidación biológica del amoníaco a nitrato (nitrificación), y luego el nitrato se convierte en nitrógeno gaseoso (desnitrificación), que se libera a la atmósfera. Estos procesos requieren condiciones controladas para que las bacterias trabajen bien. Los filtros de arena, las lagunas y las camas de caña pueden reducir el nitrógeno.

El fósforo se puede eliminar biológicamente en un proceso llamado "retiro biológico mejorado de fósforo". En este proceso, bacterias específicas acumulan grandes cantidades de fósforo dentro de sus células. Cuando estas bacterias se separan del agua tratada, los lodos bacterianos tienen un alto valor como fertilizante. El fósforo también se puede eliminar químicamente con sales de hierro o aluminio, pero el lodo resultante es más difícil de manejar y el uso de químicos es costoso.

Desinfección

El objetivo de la desinfección es reducir significativamente la cantidad de organismos vivos en el agua antes de que sea devuelta al ambiente. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua (turbidez, pH), del tipo de desinfectante, de la dosis y del tiempo de contacto. El agua turbia es más difícil de desinfectar porque los sólidos pueden proteger a los organismos. Los métodos comunes de desinfección incluyen el ozono, el cloro o la luz ultravioleta (UV).

La desinfección con cloro es muy común por su bajo costo y eficacia. Sin embargo, puede generar compuestos que pueden ser perjudiciales para el ambiente. Además, el cloro residual es perjudicial para los animales acuáticos, por lo que el agua tratada debe ser declorada.

La luz ultravioleta (UV) es cada vez más usada. La radiación UV daña el material genético de bacterias, virus y otros microorganismos, impidiendo que se reproduzcan. Las desventajas principales son la necesidad de mantenimiento y reemplazo frecuente de las lámparas, y que el agua debe estar muy limpia para que la luz UV llegue a todos los microorganismos.

El ozono (O₃) se genera pasando oxígeno por un alto voltaje. El ozono es muy reactivo y oxida la mayoría de la materia orgánica, destruyendo muchos microorganismos que causan enfermedades. Se considera más seguro que el cloro porque se produce en el momento y genera menos subproductos. La desventaja es el alto costo del equipo y la necesidad de operadores especializados.

Tratamiento de los lodos

Los sólidos y lodos que se acumulan en el tratamiento del agua usada deben ser tratados y eliminados de forma segura. Este material a menudo contiene compuestos orgánicos e inorgánicos. El objetivo de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y de microorganismos que causan enfermedades. Las opciones más comunes son la digestión anaerobia, la digestión aerobia y el compostaje.

Digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es un proceso realizado por bacterias sin oxígeno. Puede ser termofílica (a 55°C) o mesofílica (a 36°C). Aunque la termofílica es más rápida, es más costosa por la energía que necesita para calentar el lodo. La digestión anaerobia produce biogás con mucho metano, que puede usarse para generar energía en la planta. Esta generación de metano es una gran ventaja, pero la desventaja es que el proceso es largo (hasta 30 días) y el costo inicial es alto.

Ventajas

• Puede manejar grandes cantidades de materia orgánica y soportar largos periodos sin alimentación.
• Produce un 80% menos de lodo que los sistemas aeróbicos y genera gas metano, que puede usarse como fuente de energía.
• No requiere grandes espacios, lo que reduce la infraestructura necesaria.

Digestión aeróbica

La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre con oxígeno. Las bacterias consumen rápidamente la materia orgánica y la convierten en dióxido de carbono. Cuando falta materia orgánica, las bacterias mueren y son usadas como alimento por otras bacterias. Esto reduce los sólidos. Como la digestión aeróbica es más rápida, los costos iniciales son más bajos. Sin embargo, los costos de operación son mayores debido a la energía necesaria para añadir oxígeno.

Compostaje

El compostaje es un proceso aeróbico que mezcla los sólidos del agua usada con fuentes de carbono como aserrín o paja. Con oxígeno, las bacterias digieren los sólidos y la fuente de carbono, produciendo mucho calor. Los procesos anaeróbicos y aeróbicos pueden destruir microorganismos y parásitos a un nivel suficiente para que los sólidos digeridos puedan usarse de forma segura en la tierra como mejorador del suelo o como fertilizante en la agricultura, siempre que los niveles de componentes no deseados sean bajos.

Despolimerización térmica

La despolimerización térmica usa un proceso acuoso para convertir los organismos complejos en aceite. El hidrógeno del agua se inserta entre los enlaces químicos de grasas, proteínas y celulosa. El oxígeno del agua se combina con el carbono, el hidrógeno y los metales. El resultado es aceite, gases combustibles ligeros (como metano, propano y butano), agua con sales solubles, dióxido de carbono y un pequeño residuo inerte. Todos los organismos y muchas sustancias orgánicas no deseadas se destruyen. La energía del proceso se recupera, y el calor y la presión se obtienen de los gases combustibles ligeros. El aceite se refina y se vende.

La elección del método de tratamiento de sólidos depende de la cantidad de sólidos y de las condiciones del lugar. Generalmente, el compostaje se usa para pequeñas cantidades, seguido por la digestión aeróbica y luego la anaeróbica para grandes cantidades, como en las ciudades.

Disposición de lodos

Cuando se produce un lodo líquido, puede necesitar un tratamiento adicional para su eliminación final. Típicamente, los lodos se espesan (se les quita agua) para reducir su volumen. Los procesos para reducir el contenido de agua incluyen lagunas de secado, prensado (filtración mecánica) y centrifugación. Los lodos pueden eliminarse inyectándolos en la tierra o en vertederos. La incineración de lodos genera preocupaciones por la contaminación del aire y su alto costo.

En el sur de Australia, después de la centrifugación, el lodo se seca completamente con la luz del sol. Los lodos, ricos en nutrientes, se entregan a los agricultores para usarlos como fertilizante natural. Este método ha reducido la cantidad de residuos que van a los vertederos cada año.

Fotobiodepuración de aguas residuales

La fotobiodepuración de aguas residuales es un proceso que usa la luz solar y organismos fotosintéticos, como microalgas y cianobacterias, para limpiar el agua. Esto se hace en fotobiorreactores, que son recipientes diseñados para aprovechar la luz solar y favorecer el crecimiento de estos microorganismos.

Desafío mundial del tratamiento de aguas

A nivel mundial, no hay suficiente capacidad para tratar el agua usada, especialmente en países menos desarrollados. Esto ha sido un problema desde hace décadas debido al crecimiento de la población, la escasez de agua y el alto costo de construir sistemas de tratamiento. El tratamiento inadecuado del agua usada causa un aumento significativo de enfermedades que se pueden prevenir, especialmente en bebés y niños en países de África y Asia. En el año 2000, las Naciones Unidas estimaron que 2.640 millones de personas no tenían un tratamiento o eliminación adecuada del agua usada. Esto representaba el 44% de la población mundial, y en África y Asia, aproximadamente la mitad de la población no tenía acceso a estos servicios.

Impacto en el ambiente

Agua purificada.

Los elementos no deseados en el agua usada de las ciudades o de los hogares son sólidos suspendidos y disueltos, que incluyen: materia orgánica e inorgánica, nutrientes, aceites y grasas, sustancias y microorganismos que causan enfermedades. Los desechos humanos sin un tratamiento adecuado, ya sea eliminados en el lugar o recogidos y transportados, representan un riesgo de infecciones (por contacto directo con la materia fecal), hepatitis y varias enfermedades digestivas, como el cólera y la tifoidea (por la contaminación del agua y los alimentos). El agua de lluvia de las ciudades también puede contener estos mismos elementos, a veces en concentraciones sorprendentemente altas.

Cuando el agua usada se recoge pero no se trata correctamente antes de ser eliminada o reutilizada, existen los mismos riesgos para la salud pública cerca del punto de descarga. Si se descarga en ríos o lagos, hay efectos adicionales perjudiciales: el hogar de la vida acuática se ve afectado por la acumulación de sólidos; el oxígeno disminuye por la descomposición de la materia orgánica; y los organismos acuáticos pueden ser dañados por sustancias, que pueden pasar a organismos superiores a través de las cadenas alimenticias. Si la descarga entra en aguas cerradas, como un lago o una bahía, su contenido de nutrientes puede causar un crecimiento excesivo de plantas, lo que afecta la pesca y las áreas recreativas. Los desechos sólidos generados en el tratamiento del agua usada (arena y lodos) pueden contaminar el suelo y el agua si no se manejan correctamente.

Los proyectos de tratamiento de agua usada se realizan para evitar o reducir los efectos de estos elementos no deseados en el ambiente y en las personas. Cuando se hacen correctamente, su impacto general en el ambiente es positivo.

Los impactos directos incluyen menos problemas y riesgos para la salud pública en el área de servicio, mejoras en la calidad del agua de los ríos y lagos, y un mayor uso beneficioso de estas aguas. Además, un sistema de recolección y tratamiento de agua usada permite un control más efectivo del agua usada de la industria y ofrece la posibilidad de reutilizar el agua tratada y los lodos.

Los impactos indirectos incluyen la disponibilidad de terrenos para el desarrollo, mayor productividad y ganancias de la pesca, más actividades y ganancias del turismo y la recreación, mayor productividad agrícola o menos necesidad de fertilizantes químicos si se reutilizan el agua y los lodos, y menos demanda de otras fuentes de agua.

Si no se planifican, ubican, diseñan, construyen, operan y mantienen correctamente, los proyectos de agua usada pueden tener un impacto negativo y no generar todos los beneficios esperados, afectando negativamente otros aspectos del ambiente.

Problemas sociales y culturales

Las instalaciones de tratamiento necesitan terreno; su ubicación puede causar que las personas tengan que mudarse. Además, las obras de tratamiento y eliminación pueden generar molestias en las cercanías, al menos ocasionalmente. A menudo, los terrenos y barrios elegidos corresponden a grupos de personas que tienen menos recursos para afrontar los costos de una reubicación y cuyo entorno ya está afectado. Se debe tener cuidado al ubicar las instalaciones de tratamiento y eliminación para que los olores o ruidos no molesten a los residentes, manejar la reubicación con sensibilidad e incluir en el plan del proyecto medidas para reducir o compensar los impactos negativos en el ambiente humano. Si estas consideraciones no se incluyen en la planificación, existe un riesgo importante.

Tecnología adecuada

El concepto de tecnología apropiada en los sistemas de agua usada incluye aspectos técnicos, institucionales, sociales y económicos. Desde un punto de vista técnico e institucional, elegir tecnologías no adecuadas ha sido una de las principales causas de fallas en el sistema. El ambiente del agua usada es difícil para los equipos electrónicos, eléctricos y mecánicos. Su mantenimiento es constante y requiere apoyo (repuestos, laboratorios, técnicos capacitados y presupuestos adecuados). Incluso en países desarrollados, los sistemas más sencillos, elegidos y diseñados pensando en el mantenimiento, son los que ofrecen un servicio más confiable. En países en desarrollo, donde puede faltar apoyo para el mantenimiento, esta debe ser la primera consideración al elegir tecnologías para las plantas de tratamiento y estaciones de bombeo.

En comunidades pequeñas y áreas rurales, las opciones técnicas suelen ser más sencillas, pero las consideraciones institucionales y sociales siguen siendo muy importantes. Las instituciones locales deben ser capaces de manejar los programas o sistemas de saneamiento; la participación de la comunidad puede ser clave para su éxito. Las preferencias y prácticas sociales son importantes; algunas pueden modificarse con programas educativos, pero otras están arraigadas en los valores culturales y no son fáciles de cambiar.

La economía influye de dos maneras. No es sorprendente que las tecnologías más sencillas, elegidas por su facilidad de operación y mantenimiento, suelen ser las menos costosas de construir y operar. Sin embargo, incluso si no lo son, como cuando se necesita mucho terreno para estanques de estabilización, un sistema menos costoso que falla, al final sería más caro que uno más costoso que funciona de manera confiable.

Véase también

En inglés: Sewage treatment Facts for Kids

• Anexo:Definiciones usuales en calidad del agua
• Depuración biológica por fangos activos
• Estación depuradora de aguas residuales
• Ingeniería sanitaria
• Filtro de turba
• Lagunaje
• Sistema de captación de agua de lluvias
• Tanque Imhoff