The Basic Processes of Wastewater Treatment
Water is a precious commodity. To protect our natural waters and to support drinking water production, all wastewater is therefore first cleansed of containments and pollutants before it is returned to the water cycle. To treat the water and to achieve the best possible, natural water quality, different processes are used. Generally, the treatment of wastewater can be divided into two basic types . Firstly, problematic substances are removed from the water. This is done with cleaning, iron removal, manganese removal, sterilisation, desalination or softening. Secondly, substances are specifically supplemented to improve the quality and influence parameters such as pH value or conductivity.
Las fases del tratamiento del agua
Tiene a su disposición varios procesos para ejecutar las diversas fases de preparación del tratamiento del agua:
- Procesos físicos para la preparación mecánica, por ejemplo, la aireación, la sedimentación o la influencia térmica. Estos también incluyen el uso de rejillas, filtros y tamices.
- Procesos biológicos tales como el tratamiento anaeróbico de las aguas residuales, la oxidación bioquímica o la digestión de fangos
- Procesos químicos tales como la neutralización, la desinfección, la floculación y la precipitación
- Procesos de membrana tales como la filtración, la ósmosis y la nanofiltración
Es en las plantas municipales donde se trata el mayor volumen de aguas residuales, por lo que es aquí donde se necesita una combinación más diversa y un procedimiento más eficaz. Los procedimientos utilizados dependen del tipo de planta de tratamiento.
Los procesos de tratamiento en las plantas se pueden dividir en diferentes fases.
Fase 1: tratamiento mecánico de las aguas
En la primera fase se tratan mecánicamente las aguas residuales todavía sin tratar, y es aquí donde se elimina entre el 20 y el 30% de los sólidos que contienen. Para lograrlo, las aguas residuales se conducen a una planta de tamizado en la que una rejilla o tamiz giratorio filtra las impurezas gruesas, por ejemplo, hojas, papel o tejidos. Varias rejillas —desde rejillas gruesas con aberturas de varios centímetros de ancho hasta rejillas finas con aberturas de unos pocos milímetros a través de las que pasa el agua a diferentes velocidades— filtran las impurezas gruesas paso a paso. Los residuos recuperados mecánicamente en la rejilla se deshidratan y eliminan en una planta de incineración.
El agua predepurada pasa a continuación a lo que se denomina recolector de arena. En la tecnología de tratamiento de aguas residuales se utiliza un tanque de sedimentación para eliminar partículas gruesas, como piedras, trozos de cristal o arena, así como material orgánico grueso que las rejillas no han sido capaces de separar. Lo anterior ocurre a una velocidad de caudal relativamente alta de unos 0,3 m/s. Se hace una distinción entre el recolector de arena largo no aireado, el recolector de arena largo aireado —también denominado recolector de arena cilíndrico— y el recolector de arena circular.
The aerated sand collector removes additional fats and oils from the wastewater, and the following occurs: the introduced process air produces a rolling motion in the water, which carries lighter substances, such as oils and fats, to the surface. They can be easily removed from the water here.
A round sand collector separates substances from the waste water with centrifugal force and sucks them away. After cleaning in the sand collector, the sand collector debris is washed and freed from organic substances. This improves the dewatering of the collected inorganic material, which can, for example, be reused in road construction. If further recycling is not possible, the sand collector debris must be disposed of properly; it is landfilled or destroyed in waste incineration plants.
The primary wastewater treatment tank is the next stage of wastewater treatment. The speed of the wastewater is approx. 1.5 cm/s, significantly slower than in the sand collector. The reduction of the flow velocity is achieved by widening the basin. A low flow velocity is necessary so that the finer dirt particles can, depending on their nature, settle on the bottom or on the water surface. The sludge produced by sedimentation (settling to the bottom) is called primary sludge. It usually consists of organic material. The primary sludge is pushed from the bottom into a fresh sludge hopper by a scraper. The floating substances are transferred to a floating sludge duct. A pump transports the fresh sludge to what is known as a digestion tower.
In the digestion tower, methane gas is produced in four phases (hydrolysis, acidification, acetone gene and methanogene phase); it is converted into electricity in a block heating plant and can be used to supply the plant with energy. The digestion process in the digestion tower is completed after approximately four weeks. What remains is an odourless sludge, which is often used in agriculture after dewatering by centrifuge or filter.
The mechanical cleaning stage ends here. On average, 30% to 40% of the pollution is removed from the wastewater in this phase. On its way through the wastewater treatment plant, the wastewater now reaches the next stage of wastewater treatment.
Fase 2: depuración biológica
En la mayoría de plantas de tratamiento de aguas residuales, el agua predepurada en la fase de tratamiento mecánico pasa a lo que se conoce como tanques de aireación, los cuales suelen estar diseñados como tanques de circulación. Aquí es donde se realiza la depuración biológica.
El agua se pone en circulación mediante el suministro de oxígeno y con ayuda de unas hélices. Así se crean unas áreas más o menos ventiladas en las que se generan diferentes condiciones ambientales para las bacterias y los microorganismos. Estos microorganismos se alimentan de los contaminantes orgánicos todavía presentes en el agua y los convierten en sustancias inorgánicas. Las bacterias forman flóculos de fangos activos que flotan libremente en el agua. El suministro de oxígeno estimula la proliferación de bacterias y, de este modo, favorece la formación de fangos activos. En consecuencia, este proceso de tratamiento biológico de aguas residuales también se conoce como proceso de fangos activos.
Las aguas residuales que contienen los fangos activos se vierten en el tanque secundario de tratamiento de aguas. Aquí se vuelve a reducir la velocidad del caudal de la corriente de aguas residuales y se produce una sedimentación: los fangos activos se depositan en el fondo del agua depurada, donde pueden separarse del agua limpia con unos dispositivos de depuración mecánicos que se encuentran en el fondo. Una parte de los fangos se transfiere al digestor como biomasa extra. La otra parte de los fangos, también conocidos como «fangos de retorno», se devuelven al tanque de aireación para garantizar que este tenga suficientes microorganismos para descomponer la suciedad. Después del tratamiento biológico, en torno al 90% del agua residual queda depurada de sustancias biodegradables. Dado que el oxígeno se suministra mediante compresores, la fase de depuración biológica es la que consume más energía durante todo el proceso de depuración. Cuando el agua alcanza la calidad estipulada por la ley, puede volver a su ciclo natural, por ejemplo, a un río.
En muchos otros casos, la depuración biológica no es suficiente. En estos casos es necesario llevar a cabo otros procesos de tratamiento de aguas residuales, por ejemplo, la preparación en forma de tratamiento químico. En este caso también se usan aditivos químicos.
Fase 3: tratamiento químico de aguas y aguas residuales
En esta fase del tratamiento de las aguas residuales se utilizan procesos químicos para tratarlas. Para este fin se utilizan compuestos químicos para alcanzar los valores estándar del agua establecidos por ley. El tratamiento químico en plantas de tratamiento de aguas residuales incluye la neutralización, la desinfección, la precipitación de fosfatos, la eliminación de nitrógeno, el desescarchado y la desmanganización.
La neutralización se usa para producir el valor de pH estipulado y este se logra agregando un ácido, por ejemplo, HCl, o bien una base, por ejemplo, lechada de cal.
Durante la desinfección se eliminan los patógenos agregando cloro o dióxido de cloro. La irradiación de luz ultravioleta en las aguas residuales es una buena alternativa a la incorporación de productos químicos, pero se usa con menos frecuencia. Eliminación de fosfatos: Nuestras aguas residuales suelen estar contaminadas con fosfatos de detergentes, fertilizantes, aditivos alimentarios y heces. Si estos permanecen en las aguas residuales, producen la superfertilización de las masas de agua y el enriquecimiento con nutrientes, lo cual puede causar un crecimiento inútil de las plantas (eutrofización) perjudicial para el ecosistema.
Los fosfatos se eliminan mediante un proceso químico de precipitación o floculación. El la precipitación de fosfatos se activa en parte al agregar sales de aluminio o hierro en el recolector de arena o en el tanque secundario de tratamiento de las aguas residuales. Los flóculos de metal-fosfato que se forman durante esta depuración secundaria se extraen del agua residual junto con los fangos activos. En función del modo de operación, el fosfato también se puede «pescar» con la ayuda de los microorganismos de las aguas residuales. En este caso hablamos de una eliminación biológica de fósforo que, sin embargo, todavía se usa en contadas ocasiones.
La depuración química del agua también incluye la eliminación de nitrógeno: esta se usa para eliminar de las aguas residuales los compuestos de nitrógeno perjudiciales para el agua, como por ejemplo, el amoníaco y el amonio. Los compuestos de nitrógeno eliminan el oxígeno necesario para el agua y también pueden matar a los peces cuando se vierten a las masas de agua. El nitrógeno se elimina por nitrificación y desnitrificación: Durante la nitrificación, el amonio se convierte en un nitrito cuando se agregan bacterias anaerobias y oxígeno, y a continuación en un nitrato en una segunda fase. La posterior desnitrificación también se produce agregando microorganismos anaerobios. Estos descomponen el nitrato en gas nitrógeno a través de actividades enzimáticas y, a continuación, se devuelve a la atmósfera.
Desferrización: Para reducir el contenido de hierro de las aguas residuales al valor estipulado, los cationes hierro (II) se oxidan agregando oxígeno. Para iniciar el proceso de oxidación también se debe añadir sosa cáustica a las aguas residuales.
Desmanganización: El manganeso suele estar presente en las aguas residuales en forma de hidrogenocarbonato de manganeso. Al añadir oxígeno se forman compuestos de manganeso IV poco solubles que se pueden eliminar del agua con facilidad.
Chemical water purification also includes nitrogen elimination: it is used to remove nitrogen compounds that are harmful to water, such as ammonia and ammonium, from waste water. Nitrogen compounds remove the vital oxygen from the water and can even cause fish to die when discharged into water bodies.
Nitrogen is eliminated by nitrification and denitrification: During nitrification, ammonium is converted to nitrite with the addition of anaerobic bacteria and oxygen – and then to nitrate in a second stage. The subsequent denitrification is also triggered by the addition of anaerobic microorganisms. These decompose the nitrate to nitrogen gas via enzymatic activities, which then is returned to the atmosphere.
Deferrisation: To reduce the iron content of the wastewater to the prescribed value, iron (II) cations are oxidised by the addition of oxygen. To trigger the oxidation process, caustic soda must also be added to the wastewater.
Manganese removal: Manganese is usually present in wastewater as manganese hydrogen carbonate. The addition of oxygen forms poorly-soluble manganese IV compounds, which can be easily removed from the water.
4. Etapa: Procesos de membrana / Nanofiltración
En la cuarta y última fase de depuración se utilizan procesos de membrana y filtro. Esta etapa de depuración se combina parcialmente con los procesos químicos de la precipitación y la floculación. Ello da lugar, por ejemplo, al método de filtración por floculación, que consiste en añadir precipitantes y floculantes a las aguas residuales para provocar la floculación de las sustancias que se van a separar. A continuación, las aguas residuales que contienen el material floculado pasan a través de un filtro textil o de arena, que las va tamizando lentamente a través de la capa de filtración. Así se eliminan incluso los sólidos orgánicos en suspensión de menor tamaño.
La nanofiltración funciona de manera muy similar. Sin embargo, comparada con la filtración normal, el agua pasa bajo presión a través de una membrana que retiene hasta las más mínimas partículas disueltas, como por ejemplo, moléculas o iones de metales pesados. Lo mismo sucede con la ósmosis inversa, en la que se aplican presiones operativas todavía más altas y membranas más finas. Los contaminantes retenidos durante la filtración, la nanofiltración y la ósmosis inversa se filtran al tratamiento de fangos en forma fangos tamizados a través del tanque primario del tratamiento de aguas residuales. Después, el agua llega a la última área de la planta de tratamiento de aguas residuales: el tanque de almacenamiento de agua tratada. Aquí se vuelven a tomar muestras de agua y se verifica su calidad. El agua depurada solo se devuelve a su ciclo natural si cumple los parámetros estipulados por ley.
