Fundamentos básicos de tratamiento de aguas

El tratamiento de aguas es un conjunto de operaciones y procesos unitarios de tipo físico, químico, biológico o físico-químico, que se ejecutan en serie o por estaciones sobre un recurso hídrico. Su finalidad es remover o reducir la mayor cantidad posible de elementos contaminantes, así como, eliminar las características no deseadas del agua a tratar.

Tratamiento de aguas industriales planta operativa

Planta de tratamiento de aguas. Imagen de SAMCO

En este artículo, describiremos los fundamentos básicos a tener en cuenta para realizar un proceso de tratamiento de aguas o para diseñar un plan de tratamiento para un recurso hídrico específico. Es un área de estudio bastante extensa, por lo que en futuros artículos detallaremos más aspectos sobre el tratamiento de aguas.

Tabla de contenidos

✔Conceptos básicos

✔Tipos de tratamiento de aguas

✔Pasos preliminares para plantear un tratamiento de aguas

✔Calidad de agua (primer paso)

Conceptos básicos sobre tratamiento de aguas

tanques de igualación de caudales para tratamiento de aguas

La igualación de caudales es una etapa fundamental del tratamiento de aguas. Imagen de Elkem

A continuación, veremos una lista con los principales conceptos sobre tratamiento de aguas:

pH

Es una medida que nos indica el grado de alcalinidad o acidez de una disolución. El pH mide el potencial de hidrógeno o la concentración de hidrogeniones de una disolución. Se mide normalmente en una escala que va desde el 0 hasta el 14, siendo 7 el pH neutro, los valores mayores a 7, los pH alcalinos y los valores menores a 7, los pH ácidos.

Agua potable

El agua potable o agua apta para consumo humano es aquella que puede ser consumida sin restricción directamente por el ser humano (mediante bebida) o utilizada para preparar alimentos. Debe contar con unos valores mínimos y máximos de diferentes minerales y de iones, como cloruros, nitratos, nitritos, calcio, amonio, magnesio, fosfatos, entre otros. Además, debe estar libre de gérmenes patógenos y tener un valor de pH comprendido entre 3.5 y 9.5.

Agua residual

Es un tipo de agua cuya calidad se vio afectada negativamente por la influencia antropogénica. Se trata de aguas desechadas de procesos industriales, de uso agrícola, doméstico y urbano. Cuentan con una gran cantidad de materia orgánica y de desechos industriales, por lo general, peligrosos para el consumo humano y para el medio ambiente.

Operaciones unitarias físicas

Son aquellas operaciones en donde no se involucra ningún tipo de reacción química.

Operaciones o procesos químicos

Como su nombre lo indica, son operaciones donde se llevan a cabo una o varias reacciones químicas.

Operaciones o procesos biológicos

Estas operaciones involucran reacciones biológicas o bioquímicas.

DBO

El DBO son las siglas para demanda biológica de oxígeno o demanda bioquímica de oxígeno. Se trata de un parámetro utilizado para medir la cantidad de dioxígeno consumido al degradar materia orgánica en una muestra líquida. En pocas palabras, es la materia susceptible de ser consumida u oxidada por un medio biológico. Se expresa en mg de O2 diatómico por litro (mg O2/L).

Seguidamente, veremos los valores de DBO para diferentes estados de contaminación de agua:

Entre 2 y 20 mg/L, el agua puede considerarse pura.
Entre 20 y 100 mg/L, el agua se considera medianamente contaminada.
Entre 100 y 500 mg/L, el agua se considera contaminada.
Entre 500 y 3000 mg/L, el agua se considera muy contaminada.
Mayor a 3000 mg/L, el agua se considera extremadamente contaminada.

DQO

El DQO o demanda química de oxígeno, mide la cantidad de sustancias susceptibles a ser oxidadas por medios químicos (que se encuentren disueltos o suspendidos en una muestra líquida) para convertirlas en CO2 y agua. Se diferencia del DBO, en que toma en cuenta toda la materia que puede ser oxidada en la muestra, ya que la DBO sólo toma en cuenta la materia orgánica. Por esta razón, la DQO siempre será mayor a la DBO. Mientras mayor es el valor de DQO, más contaminada estará el agua. Para aguas residuales industriales su valor se encuentra entre los 50 y los 2000 mg/L, aunque según el tipo de industria puede ser mayor a 5000 mg/L.

Existe una relación entre la DBO y la DQO, que podemos expresar de la siguiente manera:

Sí DBO/DQO < 0.2, la naturaleza de los contaminantes es no biodegradable.
Sí DBO/DQO > 0.6, la naturaleza de los contaminantes es biodegradable.

Se puede decir entonces, que la relación DBO/DQO es conocida como índice de biodegradabilidad, siendo un parámetro que nos ayudará a seleccionar el tratamiento biológico a utilizar, tomando como referencia los siguientes valores:

Si el índice de biodegradabilidad es 1.5, la materia orgánica es muy degradable.
Si el índice de biodegradabilidad es 2, la materia orgánica es moderadamente degradable.
Si el índice de biodegradabilidad es 10, la materia orgánica es poco degradable.

COT

El COT son las siglas de carbono orgánico total. Este parámetro mide la oxidación total de carbono presente en una muestra líquida, mediante el uso de radiación UV o por combustión catalítica, generando CO2. Los resultados se expresan en mg C/L. El COT es un buen indicador de contaminación orgánica.

Los siguientes valores, nos dan una idea de la contaminación orgánica:

COT < 10 mg/L, se está en presencia de aguas naturales.
COT > 100 mg/L, se está en presencia de aguas residuales.

También presenta una relación con el DBO, indicando el tipo de agua que tenemos, por ejemplo:

Sí DBO/COT tiene valores mayores a 3, estamos ante aguas residuales urbanas.
Sí DBO/DQO es 5.33 (valor máximo), estamos ante aguas con materia inorgánica oxidable

Tipos de tratamiento de aguas

Diagrama explicativo del tratamiento de aguas

Proceso de tratamiento de aguas. Imagen de Calgary

El tratamiento de aguas es un área que abarca gran cantidad de conceptos y estudios. Para poder identificar el tipo de tratamiento que se va a realizar al recurso hídrico seleccionado, es vital conocer los tipos de tratamiento de aguas que pueden realizarse, los cuales, van a depender de la calidad de agua que requerimos. Es decir, el tratamiento es distinto para aguas de residuo, que para aguas para consumo humano.

Los principales tipos de tratamiento de aguas son los siguientes:

Tratamiento de agua potable.
Tratamiento de aguas residuales.
Desalinización de agua.

En este artículo, describiremos a grandes rasgos estos tres tipos de tratamiento de aguas, y en futuros artículos desglosaremos de manera mucho más detallada cada tipo de tratamiento de aguas y sus condiciones de diseño básicas.

Tratamiento de agua potable

Diagrama de un proceso de tratamiento de agua potable. Imagen de Mesaaz

El objetivo del tratamiento de agua potable, es realizar las operaciones necesarias sobre el recurso hídrico para poder obtener una calidad de agua óptima para el consumo humano. De acuerdo a la calidad del agua, según el análisis de muestras, se pueden seleccionar las operaciones y procesos a realizar.

Para este tipo de tratamiento de aguas se utilizan diferentes tipos de tecnologías, utilizándose generalmente una combinación de operaciones con la finalidad de obtener una barrera múltiple contra los contaminantes o agentes patógenos que pueden poner en riesgo a los seres humanos que van a consumir el agua. Asimismo, cada etapa de una planta de tratamiento de aguas de este tipo, debe contar con objetivos específicos para eliminar un tipo de contaminante y es lo que las hace muy eficientes.

Cabe destacar, que las plantas de tratamiento de agua potable deben funcionar de manera continua, con el fin de proporcionar siempre el vital líquido. Además, es recomendable que estas plantas cuenten con dos unidades por cada estación de proceso de planta, con la finalidad de poder realizar mantenimiento a una de estas unidades, mientras la otra unidad está en funcionamiento y no interrumpir el proceso de purificación y suministro.

Por otro lado, el caudal de agua potabilizada debe ser ligeramente mayor a la demanda máxima diaria de agua tomada en el diseño preliminar de la planta, siendo recomendable que se cuente con un sistema de almacenamiento para contrarrestar cualquier tipo de percance durante el proceso de purificación de agua para el consumo humano.

Tratamiento de aguas residuales

Diagrama de un proceso de tratamiento de aguas residuales. Imagen de Yokogawa

Este es el tipo de tratamiento que se le da a las aguas que provienen de cualquier tipo de actividad industrial, agrícola o de uso doméstico (aguas negras domésticas). Es uno de los tipos de tratamiento de aguas más extendidos, ya que actualmente existe una normativa ambiental que regula las condiciones de las aguas de desecho que son enviadas a ríos, lagos, mares, etc.

Por regla general, el tratamiento de aguas residuales es empleado para eliminar elementos patógenos, metales pesados, materia orgánica, contaminantes de origen bacteriológico y químico, y sólidos grandes o suspendidos. Este proceso está compuesto por una serie de pasos, como:

Tratamiento preliminar o pre-tratamiento: Aquí, tienden a eliminarse los residuos sólidos de gran tamaño, así como arenas y lodos. En este paso, son removidos todos los sólidos que puedan causar un daño grave a los equipos que forman parte del proceso de tratamiento primario, secundario o avanzado.
Tratamiento primario: Este tratamiento permite eliminar sólidos suspendidos y sedimentarios del agua a tratar, para ello, se utilizan medios físicos y/o químicos. El efluente del tratamiento primario, suele ser una alta cantidad de materia orgánica con valores altos de DBO.
Tratamiento secundario: En el tratamiento secundario, se transforma la materia orgánica biodegradable mediante acciones biológicas en materia estable. En muchos casos, este proceso va acompañado de una desinfección al finalizar la etapa de tratamiento.
Tratamiento avanzado o terciario: Comprende una combinación de tratamientos complementarios al primario y secundario. La finalidad es eliminar compuestos tóxicos, nutrientes y exceso de sólidos suspendidos y materia orgánica en el agua a tratar.

Estos cuatro pasos son los pilares del tratamiento de aguas residuales.

Desalinización del agua

Consiste en eliminar sales disueltas y diferentes tipos de sólidos y contaminantes que se encuentran en el agua mediante ósmosis inversa, evaporación, etc. Este tipo de tratamiento de agua es muy utilizado para desalinizar agua de mar y convertirla en agua potable. Este tipo de tratamiento de aguas se describe en detalle en el artículo: Alternativas a los procesos de desalinización del agua de mar.

Pasos preliminares para plantear un tratamiento de aguas

Planta de tratamiento de aguas residuales. Imagen de Conserve Energy

Plantear un proceso de tratamiento de aguas dependerá directamente de la calidad de agua que tengamos, es decir, va a depender de qué tan contaminada se encuentre el agua a tratar. Esta variable, definirá las operaciones que debemos realizar para llevar el agua a los parámetros permisibles para su consumo, para uso industrial, o para su reingreso al medio ambiente, de tratarse de un agua del tipo residual.

El paso preliminar que se debe dar, es investigar y tener muy claras las normativas de calidad de aguas y la legislación que se encuentra vigente en el lugar en donde se realizará el tratamiento de agua. Recuerden que las normas varían de un país a otro.
Luego, debemos plantear el sistema de muestreo y conservación de las muestras del agua a tratar para su análisis, lo que determinará los contaminantes que tengamos en las aguas a tratar.
Seguidamente, se deben definir los parámetros globales de calidad de agua que deseemos (indicadores).

Vamos a detallar cada uno de estos pasos preliminares, comenzando con el primer paso, definir la calidad de agua.

Calidad de agua (primer paso)

vaso de agua con una alta calidad para consumo humano

La calidad de agua es importante para el uso que se le dará. Imagen de rshydro

La calidad de agua, se refiere a la capacidad intrínseca del agua para responder a los usos que se podrían obtener de ésta. En otras palabras, son las características que debe tener el agua para poder utilizarla sin que afecte la salud de las personas ni al medio ambiente. La calidad del agua se rige por criterios que van a depender del uso que se le otorgue y de la legislación ambiental que esté vigente en el lugar en donde nos encontremos. Es por ello, que es determinante recolectar los valores de calidad de agua tabulados según normas, antes de emprender cualquier análisis que tengamos en mente.

Cabe destacar, que la calidad de agua es afectada principalmente por factores físicos, químicos y biológicos, que van aumentando a medida que aumenta la población y el impacto ambiental. Los principales factores que afectan la calidad del agua, son los siguientes:

Factores físicos

Estos factores tienen que ver con las características físicas del medio ambiente en donde se encuentra el agua a tratar, los principales son los siguientes:

Tiempo: Este factor nos da una idea de los cambios a corto plazo de las condiciones atmosféricas del sector. Es vital para las aguas naturales que van a ser tratadas.
Clima: El clima representa el cambio a largo plazo en las condiciones atmosféricas del sector. Es muy utilizado para caracterizar aguas naturales.
Luz solar: La luz y la radiación solar afectan directamente la calidad de agua, ya que emiten energía en forma de radiaciones electromagnéticas.
Precipitaciones: La lluvia puede alterar la calidad de agua, ya que puede arrastrar lodos y contaminantes que estén en el ambiente.
Evaporación: La evaporación permite una mayor concentración de sólidos y otros contaminantes suspendidos en el agua.
Temperatura: La temperatura afecta la solubilidad de las sales en el agua, y también permite descomponer ciertas materias orgánicas.

La mayoría de los factores físicos pueden ser controlados o minimizados utilizando tanques cisterna, aislando el agua a tratar del medio ambiente.

Factores químicos

Otros factores importantes que alteran la calidad de agua, son los factores químicos. A continuación, veremos los más comunes:

Dureza: La dureza viene dada por altas concentraciones de magnesio y calcio. Por ello, se definen aguas blandas a las aguas que cuentan con poca concentración de los iones magnesio y calcio. Las aguas duras, son las que tienen mayor concentración de iones magnesio y calcio. Las aguas duras son más productivas que las blandas.
pH: A mayor pH, más alcalina el agua. Si los valores de pH están entre 6.0 y 8.0, la biodiversidad en su área de acción será más variada. Fuera de ese rango, será menos variada.
Oxígeno disuelto: Si la cantidad de oxígeno disuelto en el agua va en el rango de los 7.8 y 8.0 mg/L, la calidad del agua será buena. Fuera de este rango, hay que tomar medidas de tratamiento.

Factores biológicos

Cualquier factor contaminante producto de agentes biológicos o materia orgánica en descomposición, puede alterar gravemente la calidad de agua.

La calidad de agua variará según el uso que se le dé al líquido, de modo, que determinará ciertos criterios a tomar en cuenta para el futuro tratamiento de las aguas. Los principales usos del agua son los siguientes:

Uso agropecuario

Para el uso agropecuario del agua, se requiere una concentración de boro entre el 0.3 y 4.0 mg/L, dependiendo del tipo de suelo del cultivo. Por otro lado, la concentración de coliformes totales no debe sobrepasar los 2400 ppm para aguas que van a regar plantas cuyas frutas se van a consumir con su cáscara, y para hortalizas de tallo corto.

Es importante realizar los análisis físicos y químicos con cierta frecuencia para controlar la conductividad, la absorción de sodio, el porcentaje de sodio posible y la salinidad efectiva y potencial. Los valores de DBO, deben ser ligeramente más altos que para consumo humano.

Uso estético

El agua utilizada para uso estético, si bien no se va a beber, debe mantener ciertos parámetros de calidad para poder utilizarse. El primero de ellos, es el olor, estas aguas no deben generar olor alguno. Asimismo, estas aguas no deben presentar material flotante o espumas, ni aceites o grasas que formen películas visibles en los recipientes que las contengan.

Uso recreativo

Al igual que para el uso estético, no deben ser consumidas por el ser humano. Sin embargo, al estar en contacto directo con las personas deben mantener unos parámetros de calidad bien definidos para evitar daños a la salud. Entre estos parámetros podemos destacar:

Para agua en contacto directo (primario) con el ser humano

La concentración de coliformes totales debe ser menor a 200 ppm.
pH en un rango entre 5 y 9.
Porcentaje de oxígeno disuelto cercano al 70%.
No deben presentar películas de aceites ni grasas.
No deben presentar sólidos y desperdicios flotantes de origen humano.
No deben contener sustancias tóxicas o irritantes.
No deberían presentar olores ni coloración.

Para agua con contacto secundario

Concentración de coliformes totales no mayor a 5000 ppm.
Deben presentar todas las demás condiciones anteriormente descritas.

Uso doméstico o consumo humano

Para el uso doméstico o consumo humano, existe mucha literatura y normas disponibles. Sin embargo, se debe cumplir que los valores a analizar no excedan los límites máximos permisibles, los cuales veremos a continuación:

Parámetro	Límite máximo permisible
Coliformes totales, UFC/100 mL	0
Coliformes termotolerables, UFC/100 mL	0
Bacterias heterotrófitas, UFC/mL	500
pH	6.5 - 8.5
Turbiedad, UNT	5
Conductividad, 25 celsius uS/cm	1500
Color	Incoloro
Cloruros, mg/L	250
Sulfatos, mg/L	250
Dureza, mg/L	500
Nitratos mg/L (NO₃^-)	50
Hierro, mg/L	0.3
Manganeso, mg/L	0.2
Aluminio, mg/L	0.2
Cobre, mg/L	3
Plomo, mg/L	0.1
Cadmio, mg/L	0.003
Arsénico, mg/L	0.1
Mercurio mg/L	0.001
Cromo, mg/l	0.05
Flúor, mg/L	2
Selenio, mg/L	0.05

Además, estas aguas no deben presentar grasas o aceites y no deben tener ningún tipo de sabor ni olor.

Con una idea clara de cómo definir los parámetros de calidad de agua, según las normas ambientales, es momento de definir los indicadores y cómo se tomarán las muestras. Estos dos puntos, los pasos para proponer un tratamiento de aguas eficiente y los parámetros generales de diseño de plantas de tratamiento, los detallaré en la segunda parte de este artículo.