Tratamiento de aguas residuales

El tratamiento de aguas residuales (o tratamiento de aguas residuales domésticas , tratamiento de aguas residuales municipales ) es un tipo de tratamiento de aguas residuales que tiene como objetivo eliminar los contaminantes de las aguas residuales para producir un efluente que sea adecuado para descargar al medio ambiente circundante o una aplicación de reutilización prevista, evitando así la contaminación del agua por descargas de aguas residuales sin tratar. ^[2] Las aguas residuales contienen aguas residuales de hogares y empresas y posiblemente aguas residuales industriales pretratadas . Existe una gran cantidad de procesos de tratamiento de aguas residuales para elegir. Estos pueden variar desde sistemas descentralizados (incluidos los sistemas de tratamiento en el sitio) hasta grandes sistemas centralizados que involucran una red de tuberías y estaciones de bombeo (llamadas alcantarillado ) que transportan las aguas residuales a una planta de tratamiento. Para las ciudades que tienen un alcantarillado combinado , las alcantarillas también transportarán la escorrentía urbana (aguas pluviales) a la planta de tratamiento de aguas residuales. El tratamiento de aguas residuales a menudo implica dos etapas principales, llamadas tratamiento primario y secundario , mientras que el tratamiento avanzado también incorpora una etapa de tratamiento terciario con procesos de pulido y eliminación de nutrientes. El tratamiento secundario puede reducir la materia orgánica (medida como demanda biológica de oxígeno ) de las aguas residuales mediante procesos biológicos aeróbicos o anaeróbicos. También se puede añadir un paso de tratamiento cuaternario (a veces denominado tratamiento avanzado) para la eliminación de microcontaminantes orgánicos, como los productos farmacéuticos. Este método se ha implementado a gran escala, por ejemplo, en Suecia. ^[3]

Se han desarrollado un gran número de tecnologías de tratamiento de aguas residuales, en su mayoría utilizando procesos de tratamiento biológico. Los ingenieros de diseño y los tomadores de decisiones deben tener en cuenta los criterios técnicos y económicos de cada alternativa al elegir una tecnología adecuada. ^{[4] : 215} A menudo, los principales criterios de selección son: calidad deseada del efluente, costos esperados de construcción y operación, disponibilidad de tierra, requisitos de energía y aspectos de sostenibilidad . En los países en desarrollo y en las áreas rurales con baja densidad de población, las aguas residuales a menudo se tratan mediante varios sistemas de saneamiento en el sitio y no se transportan en alcantarillas. Estos sistemas incluyen tanques sépticos conectados a campos de drenaje , sistemas de alcantarillado en el sitio (OSS), sistemas de vermifiltros y muchos más. Por otro lado, las plantas de tratamiento de aguas residuales avanzadas y relativamente costosas pueden incluir un tratamiento terciario con desinfección y posiblemente incluso una cuarta etapa de tratamiento para eliminar microcontaminantes. ^[3]

A nivel mundial, se estima que se trata el 52% de las aguas residuales. ^[5] Sin embargo, las tasas de tratamiento de aguas residuales son muy desiguales entre los distintos países del mundo. Por ejemplo, mientras que los países de altos ingresos tratan aproximadamente el 74% de sus aguas residuales, los países en desarrollo tratan un promedio de apenas el 4,2%. ^[5]

El tratamiento de aguas residuales forma parte del campo del saneamiento . El saneamiento también incluye la gestión de los desechos humanos y los desechos sólidos , así como la gestión de las aguas pluviales (drenaje). ^[6] El término planta de tratamiento de aguas residuales se utiliza a menudo indistintamente con el término planta de tratamiento de aguas residuales . ^{[4] [ página necesaria ] [7]}

Hoy en día, el término planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) (o planta de tratamiento de aguas residuales ) a menudo se reemplaza por el término planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR). ^{[7] [8]} Estrictamente hablando, este último es un término más amplio que también puede referirse al tratamiento de aguas residuales industriales.

Los términos centro de reciclaje de agua o plantas de recuperación de agua también se utilizan como sinónimos.

El objetivo general del tratamiento de aguas residuales es producir un efluente que pueda ser descargado al medio ambiente causando la menor contaminación posible del agua, o producir un efluente que pueda reutilizarse de manera útil. ^[9] Esto se logra eliminando los contaminantes de las aguas residuales. Es una forma de gestión de residuos .

En lo que respecta al tratamiento biológico de aguas residuales, los objetivos del tratamiento pueden incluir diversos grados de lo siguiente: transformar o eliminar materia orgánica, nutrientes (nitrógeno y fósforo), organismos patógenos y componentes orgánicos traza específicos (microcontaminantes). ^{[7] : 548}

Algunos tipos de tratamiento de aguas residuales producen lodos cloacales que pueden tratarse antes de su eliminación segura o reutilización. En determinadas circunstancias, los lodos cloacales tratados pueden denominarse biosólidos y pueden utilizarse como fertilizantes .

Las aguas residuales pueden tratarse cerca de donde se generan, lo que puede denominarse sistema descentralizado o incluso sistema in situ ( instalación de tratamiento de aguas residuales in situ , fosas sépticas , etc.). Alternativamente, las aguas residuales pueden recogerse y transportarse mediante una red de tuberías y estaciones de bombeo hasta una planta de tratamiento municipal. Esto se denomina sistema centralizado (véase también alcantarillado y tuberías e infraestructura ).

Se han desarrollado numerosas tecnologías de tratamiento de aguas residuales, en su mayoría mediante procesos de tratamiento biológico (véase la lista de tecnologías de tratamiento de aguas residuales ). En líneas generales, se pueden agrupar en opciones de alta tecnología (alto coste) frente a opciones de baja tecnología (bajo coste), aunque algunas tecnologías pueden caer en cualquiera de las dos categorías. Otras clasificaciones de agrupación son los sistemas intensivos o mecanizados (más compactos y que emplean con frecuencia opciones de alta tecnología) frente a los sistemas extensivos o naturales o basados ​​en la naturaleza (normalmente utilizan procesos de tratamiento naturales y ocupan zonas más grandes). Esta clasificación puede resultar a veces demasiado simplificada, porque una planta de tratamiento puede implicar una combinación de procesos, y la interpretación de los conceptos de alta tecnología y baja tecnología, intensivos y extensivos, mecanizados y naturales puede variar de un lugar a otro.

A continuación se muestran ejemplos de sistemas de tratamiento de aguas residuales de tecnología más sencilla y, a menudo, menos costosos. A menudo, consumen poca o ninguna energía. Algunos de estos sistemas no proporcionan un alto nivel de tratamiento, o solo tratan una parte de las aguas residuales (por ejemplo, solo las aguas residuales del inodoro ), o solo proporcionan un pretratamiento, como fosas sépticas. Por otro lado, algunos sistemas son capaces de proporcionar un buen rendimiento, satisfactorio para varias aplicaciones. Muchos de estos sistemas se basan en procesos de tratamiento naturales, que requieren grandes áreas, mientras que otros son más compactos. En la mayoría de los casos, se utilizan en áreas rurales o en comunidades de tamaño pequeño a mediano.

Por ejemplo, los estanques de estabilización de desechos son una opción de tratamiento de bajo costo que prácticamente no requiere energía, pero requieren mucho terreno. ^{[4] : 236} Debido a su simplicidad técnica, la mayoría de los ahorros (en comparación con los sistemas de alta tecnología) se dan en términos de costos de operación y mantenimiento. ^{[4] : 220–243}

Ejemplos de sistemas que pueden proporcionar tratamiento total o parcial únicamente para aguas residuales de inodoros:

• Sanitario de compostaje (ver también sanitarios secos en general)
• Inodoro seco con desvío de orina
• Inodoro con filtro de lombriz

A continuación se enumeran ejemplos de sistemas de tratamiento de aguas residuales de alta tecnología, intensivos o mecanizados, a menudo relativamente caros. Algunos de ellos también consumen mucha energía. Muchos de ellos proporcionan un nivel de tratamiento muy alto. Por ejemplo, en términos generales, el proceso de lodos activados logra una alta calidad de efluente pero es relativamente caro y consume mucha energía. ^{[4] : 239}

Existen otras opciones de proceso que pueden clasificarse como opciones de eliminación, aunque también pueden entenderse como opciones de tratamiento básico. Estas incluyen: Aplicación de lodos , riego , pozo de absorción , campo de lixiviación , estanque de peces , estanque de plantas flotantes, eliminación de agua/ recarga de agua subterránea , eliminación superficial y almacenamiento. ^{[12] : 138}

La aplicación de aguas residuales al suelo es a la vez un tipo de tratamiento y un tipo de disposición final. ^{[4] : 189} Conduce a la recarga de aguas subterráneas y/o a la evapotranspiración. La aplicación al suelo incluye sistemas de velocidad lenta, infiltración rápida, infiltración subterránea, escorrentía superficial. Se realiza por inundación, surcos, aspersión y goteo. Es un sistema de tratamiento/disposición que requiere una gran cantidad de tierra por persona.

La carga de materia orgánica por persona es un parámetro utilizado en el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales. Este concepto se conoce como equivalente de población (EP). El valor base utilizado para el EP puede variar de un país a otro. Las definiciones comúnmente utilizadas en todo el mundo son: 1 EP equivale a 60 gramos de DBO por persona por día, y también equivale a 200 litros de aguas residuales por día. ^[13] Este concepto también se utiliza como parámetro de comparación para expresar la fuerza de las aguas residuales industriales en comparación con las aguas residuales.

A la hora de elegir un proceso de tratamiento de aguas residuales adecuado, los responsables de la toma de decisiones deben tener en cuenta criterios técnicos y económicos. ^{[4] : 215} Por lo tanto, cada análisis es específico del sitio. Se puede utilizar una evaluación del ciclo de vida (ACV) y se atribuyen criterios o ponderaciones a los diversos aspectos. Esto hace que la decisión final sea subjetiva hasta cierto punto. ^{[4] : 216} Existe una variedad de publicaciones que ayudan con la selección de tecnología. ^{[4] : 221  [12] [14] [15]}

En los países industrializados , los parámetros más importantes en la selección de procesos suelen ser la eficiencia, la fiabilidad y los requisitos de espacio. En los países en desarrollo , pueden ser diferentes y el enfoque puede estar más puesto en los costes de construcción y operación, así como en la simplicidad del proceso. ^{[4] : 218}

La elección del proceso de tratamiento más adecuado es complicada y requiere la participación de expertos, a menudo en forma de estudios de viabilidad . Esto se debe a que los principales factores importantes que se deben considerar al evaluar y seleccionar procesos de tratamiento de aguas residuales son numerosos. Entre ellos se incluyen: aplicabilidad del proceso, caudal aplicable, variación aceptable del caudal, características del influente, compuestos inhibidores o refractarios, aspectos climáticos, cinética del proceso e hidráulica del reactor , rendimiento, residuos del tratamiento, procesamiento de lodos, limitaciones ambientales, requisitos de productos químicos, energía y otros recursos; requisitos de personal, operación y mantenimiento; procesos auxiliares, confiabilidad, complejidad, compatibilidad, disponibilidad de área. ^{[4] : 219}

En cuanto a los impactos ambientales de las plantas de tratamiento de aguas residuales se incluyen en el proceso de selección los siguientes aspectos: Olores, atracción de vectores , transporte de lodos, riesgos sanitarios, contaminación del aire , contaminación del suelo y subsuelo, contaminación de aguas superficiales o subterráneas , desvalorización de áreas cercanas, molestias a la población cercana. ^{[4] : 220}

Los olores emitidos por el tratamiento de aguas residuales son típicamente una indicación de una condición anaeróbica o séptica . ^[16] Las primeras etapas del procesamiento tenderán a producir gases malolientes, siendo el sulfuro de hidrógeno el más común en generar quejas. Las grandes plantas de procesamiento en áreas urbanas a menudo tratarán los olores con reactores de carbono, un medio de contacto con bio-limos, pequeñas dosis de cloro o fluidos circulantes para capturar y metabolizar biológicamente los gases nocivos. ^[17] Existen otros métodos de control de olores, incluida la adición de sales de hierro, peróxido de hidrógeno , nitrato de calcio , etc. para controlar los niveles de sulfuro de hidrógeno . ^[18]

Los requerimientos de energía varían según el tipo de proceso de tratamiento, así como la fuerza de las aguas residuales. Por ejemplo, los humedales artificiales y los estanques de estabilización tienen bajos requerimientos de energía. ^[19] En comparación, el proceso de lodos activados tiene un alto consumo de energía porque incluye un paso de aireación. Algunas plantas de tratamiento de aguas residuales producen biogás a partir de su proceso de tratamiento de lodos de depuradora mediante un proceso llamado digestión anaeróbica . Este proceso puede producir suficiente energía para satisfacer la mayoría de las necesidades energéticas de la propia planta de tratamiento de aguas residuales. ^{[7] : 1505}

En las plantas de tratamiento de lodos activados en Estados Unidos, aproximadamente el 30 por ciento de los costos operativos anuales se destinan a energía. ^{[7] : 1703} La mayor parte de esta electricidad se utiliza para aireación, sistemas de bombeo y equipos para la deshidratación y secado de lodos de depuradora . Las plantas de tratamiento de aguas residuales avanzadas, por ejemplo, para la eliminación de nutrientes, requieren más energía que las plantas que solo logran un tratamiento primario o secundario. ^{[7] : 1704}

Las pequeñas plantas rurales que utilizan filtros percoladores pueden funcionar sin ningún requerimiento neto de energía, ya que todo el proceso es impulsado por flujo gravitacional, incluida la distribución del flujo mediante baldes basculantes y el vaciado de lodos de los tanques de sedimentación hacia los lechos de secado. Esto suele ser práctico solo en terrenos montañosos y en áreas donde la planta de tratamiento está relativamente alejada de las viviendas debido a la dificultad de controlar los olores. ^{[20] [21]}

En los países desarrollados con una alta regulación, las aguas residuales industriales suelen recibir al menos un pretratamiento, si no un tratamiento completo, en las propias fábricas para reducir la carga contaminante , antes de su descarga al alcantarillado. El pretratamiento tiene los dos objetivos principales siguientes: en primer lugar, evitar que los compuestos tóxicos o inhibidores entren en la etapa biológica de la planta de tratamiento de aguas residuales y reduzcan su eficiencia; y en segundo lugar, evitar que los compuestos tóxicos se acumulen en los lodos de depuradora producidos, lo que reduciría sus opciones beneficiosas de reutilización . Algunas aguas residuales industriales pueden contener contaminantes que no pueden eliminarse mediante plantas de tratamiento de aguas residuales. Además, el flujo variable de desechos industriales asociado con los ciclos de producción puede alterar la dinámica de población de las unidades de tratamiento biológico. ^{[ cita requerida ]}

Los residentes urbanos en muchas partes del mundo dependen de sistemas de saneamiento in situ sin alcantarillado, como fosas sépticas y letrinas de pozo , y la gestión de lodos fecales en estas ciudades es un enorme desafío. ^[22]

Para el tratamiento de aguas residuales, el uso de fosas sépticas y otras instalaciones de tratamiento de aguas residuales en el lugar (OSSF) está muy extendido en algunas zonas rurales, por ejemplo, atienden hasta el 20 por ciento de los hogares en los EE. UU. ^[23].

El tratamiento de aguas residuales a menudo implica dos etapas principales, llamadas tratamiento primario y secundario, mientras que el tratamiento avanzado también incorpora una etapa de tratamiento terciario con procesos de pulido. ^[13] Los diferentes tipos de tratamiento de aguas residuales pueden utilizar algunos o todos los pasos del proceso que se enumeran a continuación.

El tratamiento preliminar (a veces llamado pretratamiento) elimina los materiales gruesos que pueden recolectarse fácilmente de las aguas residuales sin tratar antes de que dañen u obstruyan las bombas y las líneas de aguas residuales de los clarificadores de tratamiento primario .

El influente de las aguas residuales pasa a través de una rejilla de barras para eliminar todos los objetos grandes, como latas, trapos, palos, paquetes de plástico, etc., que se transportan en la corriente de aguas residuales. ^[24] Esto se hace más comúnmente con una rejilla de barras rastrillada mecánicamente automatizada en plantas modernas que atienden a grandes poblaciones, mientras que en plantas más pequeñas o menos modernas, se puede utilizar una rejilla limpiada manualmente. La acción de rastrillado de una rejilla de barras mecánica se sincroniza normalmente de acuerdo con la acumulación en las rejillas de barras y/o el caudal. Los sólidos se recogen y luego se eliminan en un vertedero o se incineran. Se pueden utilizar rejillas de barras o rejillas de malla de distintos tamaños para optimizar la eliminación de sólidos. Si no se eliminan los sólidos gruesos, quedan atrapados en las tuberías y las partes móviles de la planta de tratamiento, y pueden causar daños importantes e ineficiencia en el proceso. ^{[25] : 9}

La arenilla está compuesta de arena , grava , rocas y otros materiales pesados. El tratamiento preliminar puede incluir un canal o cámara de eliminación de arena o arenilla, donde se reduce la velocidad de las aguas residuales entrantes para permitir la sedimentación de la arenilla. La eliminación de arenilla es necesaria para (1) reducir la formación de depósitos en tanques de sedimentación primaria, tanques de aireación, digestores anaeróbicos, tuberías, canales, etc. (2) reducir la frecuencia de limpieza de tanques causada por la acumulación excesiva de arenilla; y (3) proteger el equipo mecánico en movimiento de la abrasión y el desgaste anormal que la acompaña. La eliminación de arenilla es esencial para equipos con superficies metálicas muy mecanizadas, como trituradoras, tamices finos, centrífugas, intercambiadores de calor y bombas de diafragma de alta presión.

Los desarenadores se dividen en tres tipos: desarenadores horizontales, desarenadores aireados y desarenadores de vórtice. Los desarenadores de vórtice incluyen separadores de vórtice inducidos mecánicamente, de vórtice inducido hidráulicamente y de vórtice de bandejas múltiples. Dado que tradicionalmente los sistemas de desarenador han sido diseñados para eliminar partículas inorgánicas limpias de más de 0,210 milímetros (0,0083 pulgadas), la mayor parte de la arena más fina pasa a través de los flujos de desarenador en condiciones normales. Durante los períodos de alto flujo, la arena depositada se resuspende y la cantidad de arena que llega a la planta de tratamiento aumenta sustancialmente. ^[7]

Se pueden utilizar cuencas de ecualización para lograr la ecualización del caudal. Esto resulta especialmente útil para sistemas de alcantarillado combinados que producen caudales pico en tiempo seco o caudales pico en tiempo húmedo que son mucho más altos que los caudales promedio. ^{[7] : 334} Estas cuencas pueden mejorar el rendimiento de los procesos de tratamiento biológico y de los clarificadores secundarios. ^{[7] : 334}

Las desventajas incluyen el costo de capital y los requisitos de espacio de las cuencas. Las cuencas también pueden proporcionar un lugar para retener, diluir y distribuir temporalmente descargas por lotes de aguas residuales tóxicas o de alta concentración que de otro modo podrían inhibir el tratamiento secundario biológico (como las aguas residuales de los sanitarios portátiles o los lodos fecales que se llevan a la planta de tratamiento de aguas residuales en camiones de vacío ). Las cuencas de ecualización de flujo requieren un control de descarga variable, generalmente incluyen disposiciones para derivación y limpieza, y también pueden incluir aireadores y control de olores. ^[26]

En algunas plantas más grandes, la grasa y los aceites se eliminan haciendo pasar las aguas residuales a través de un pequeño tanque donde los separadores recogen la grasa que flota en la superficie. También se pueden utilizar sopladores de aire en la base del tanque para ayudar a recuperar la grasa en forma de espuma. Sin embargo, muchas plantas utilizan clarificadores primarios con separadores mecánicos de superficie para la eliminación de grasas y aceites.

El tratamiento primario es la "eliminación de una parte de los sólidos suspendidos y la materia orgánica de las aguas residuales". ^{[7] : 11} Consiste en dejar que las aguas residuales pasen lentamente a través de un estanque donde los sólidos pesados ​​pueden sedimentarse en el fondo mientras que el aceite, la grasa y los sólidos más ligeros flotan hacia la superficie y se eliminan. Estos estanques se denominan tanques de sedimentación primaria o clarificadores primarios y suelen tener un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 1,5 a 2,5 horas. ^{[7] : 398} Los materiales sedimentados y flotantes se eliminan y el líquido restante puede descargarse o someterse a un tratamiento secundario. Los tanques de sedimentación primaria suelen estar equipados con rascadores accionados mecánicamente que impulsan continuamente el lodo recogido hacia una tolva en la base del tanque donde se bombea a las instalaciones de tratamiento de lodos. ^{[25] : 9–11}

Las plantas de tratamiento de aguas residuales que están conectadas a un sistema de alcantarillado combinado a veces tienen un sistema de derivación después de la unidad de tratamiento primario. Esto significa que durante episodios de lluvias muy fuertes, los sistemas de tratamiento secundario y terciario pueden desviarse para protegerlos de la sobrecarga hidráulica, y la mezcla de aguas residuales y aguas pluviales recibe solo tratamiento primario. ^[27]

Los tanques de sedimentación primaria eliminan entre el 50 y el 70 % de los sólidos suspendidos y entre el 25 y el 40 % de la demanda biológica de oxígeno (DBO). ^{[7] : 396}

Los principales procesos que intervienen en el tratamiento secundario de aguas residuales están diseñados para eliminar la mayor cantidad posible de material sólido. ^[13] Se utilizan procesos biológicos para digerir y eliminar el material soluble restante, especialmente la fracción orgánica. Esto se puede hacer con procesos de crecimiento en suspensión o de biopelícula. Los microorganismos que se alimentan de la materia orgánica presente en las aguas residuales crecen y se multiplican, constituyendo los sólidos biológicos o biomasa. Estos crecen y se agrupan en forma de flóculos o biopelículas y, en algunos procesos específicos, como gránulos. El flóculo biológico o biopelícula y los sólidos finos restantes forman un lodo que se puede sedimentar y separar. Después de la separación, queda un líquido casi libre de sólidos y con una concentración de contaminantes muy reducida. ^[13]

El tratamiento secundario puede reducir la materia orgánica (medida como demanda biológica de oxígeno) de las aguas residuales mediante procesos aeróbicos o anaeróbicos. Los organismos que participan en estos procesos son sensibles a la presencia de materiales tóxicos, aunque no se espera que estos estén presentes en altas concentraciones en las aguas residuales municipales típicas.

El tratamiento avanzado de aguas residuales generalmente implica tres etapas principales, llamadas tratamiento primario, secundario y terciario, pero también puede incluir etapas intermedias y procesos de pulido final. El propósito del tratamiento terciario (también llamado tratamiento avanzado ) es proporcionar una etapa de tratamiento final para mejorar aún más la calidad del efluente antes de que se descargue al cuerpo de agua receptor o se reutilice. Se puede utilizar más de un proceso de tratamiento terciario en cualquier planta de tratamiento. Si se practica la desinfección, siempre es el proceso final. También se llama pulido de efluentes . El tratamiento terciario puede incluir la eliminación de nutrientes biológicos (alternativamente, esto puede clasificarse como tratamiento secundario), la desinfección y la eliminación de microcontaminantes, como contaminantes farmacéuticos ambientales persistentes .

El tratamiento terciario se define a veces como cualquier cosa más que el tratamiento primario y secundario con el fin de permitir la descarga en un ecosistema altamente sensible o frágil como estuarios , ríos de bajo caudal o arrecifes de coral . ^[28] El agua tratada a veces se desinfecta química o físicamente (por ejemplo, mediante lagunas y microfiltración ) antes de su descarga en un arroyo , río , bahía , laguna o humedal , o puede usarse para el riego de un campo de golf, una vía verde o un parque. Si está suficientemente limpia, también puede usarse para la recarga de aguas subterráneas o con fines agrícolas.

La filtración con arena elimina gran parte de la materia suspendida residual. ^{[25] : 22–23} La filtración sobre carbón activado , también llamada adsorción de carbón, elimina las toxinas residuales . ^{[25] : 19} La microfiltración o membranas sintéticas se utilizan en biorreactores de membrana y también pueden eliminar patógenos. ^{[7] : 854}

La sedimentación y la mejora biológica de las aguas residuales tratadas se pueden lograr mediante el almacenamiento en grandes estanques o lagunas artificiales. Estas lagunas son altamente aeróbicas y a menudo se fomenta la colonización por macrófitos nativos , especialmente juncos.

La desinfección de aguas residuales tratadas tiene como objetivo matar los patógenos (microorganismos causantes de enfermedades) antes de su eliminación. Es cada vez más eficaz después de que se hayan completado más elementos de la secuencia de tratamiento anterior. ^{[29] : 359} El propósito de la desinfección en el tratamiento de aguas residuales es reducir sustancialmente la cantidad de patógenos en el agua que se descargará nuevamente al medio ambiente o se reutilizará. El nivel objetivo de reducción de contaminantes biológicos como patógenos a menudo está regulado por la autoridad gubernamental que preside. La eficacia de la desinfección depende de la calidad del agua que se está tratando (por ejemplo, turbidez , pH, etc.), el tipo de desinfección que se utiliza, la dosis de desinfectante (concentración y tiempo) y otras variables ambientales. El agua con alta turbidez se tratará con menos éxito, ya que la materia sólida puede proteger a los organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos de contacto son bajos. Generalmente, los tiempos de contacto cortos, las dosis bajas y los flujos altos militan en contra de una desinfección efectiva. Los métodos comunes de desinfección incluyen ozono , cloro , luz ultravioleta o hipoclorito de sodio . ^{[25] : 16} La monocloramina , que se utiliza para el agua potable, no se utiliza en el tratamiento de aguas residuales debido a su persistencia.

La cloración sigue siendo la forma más común de desinfección de aguas residuales tratadas en muchos países debido a su bajo costo y su larga trayectoria de eficacia. Una desventaja es que la cloración de material orgánico residual puede generar compuestos orgánicos clorados que pueden ser cancerígenos o nocivos para el medio ambiente. El cloro residual o las cloraminas también pueden ser capaces de clorar material orgánico en el entorno acuático natural. Además, debido a que el cloro residual es tóxico para las especies acuáticas, el efluente tratado también debe declorarse químicamente, lo que aumenta la complejidad y el costo del tratamiento.

La luz ultravioleta (UV) se puede utilizar en lugar de cloro, yodo u otros productos químicos. Debido a que no se utilizan productos químicos, el agua tratada no tiene efectos adversos sobre los organismos que la consumen posteriormente, como puede ser el caso con otros métodos. La radiación UV causa daño a la estructura genética de bacterias, virus y otros patógenos , haciéndolos incapaces de reproducirse. Las principales desventajas de la desinfección UV son la necesidad de un mantenimiento y reemplazo frecuente de la lámpara y la necesidad de un efluente altamente tratado para asegurar que los microorganismos objetivo no estén protegidos de la radiación UV (es decir, cualquier sólido presente en el efluente tratado puede proteger a los microorganismos de la luz UV). En muchos países, la luz UV se está convirtiendo en el medio más común de desinfección debido a las preocupaciones sobre los impactos del cloro en la cloración de los orgánicos residuales en las aguas residuales tratadas y en la cloración de los orgánicos en el agua receptora.

Al igual que el tratamiento con rayos ultravioleta, la esterilización por calor tampoco añade sustancias químicas al agua que se está tratando. Sin embargo, a diferencia de los rayos ultravioleta, el calor puede penetrar líquidos que no son transparentes. La desinfección por calor también puede penetrar materiales sólidos dentro de las aguas residuales, esterilizando su contenido. Los sistemas de descontaminación térmica de efluentes proporcionan una descontaminación de efluentes que requiere pocos recursos y poco mantenimiento una vez instalados.

_El ozono ( O3 ) se genera al pasar oxígeno ( O2 ) a través de un potencial de alto voltaje _, lo que hace que un tercer átomo de oxígeno se adhiera y forme O3 . _El ozono es muy inestable y reactivo y oxida la mayoría de los materiales orgánicos con los que entra en contacto, destruyendo así muchos microorganismos patógenos. Se considera que el ozono es más seguro que el cloro porque, a diferencia del cloro, que debe almacenarse en el sitio (altamente venenoso en caso de liberación accidental), el ozono se genera en el sitio según sea necesario a partir del oxígeno del aire ambiente. La ozonización también produce menos subproductos de desinfección que la cloración. Una desventaja de la desinfección con ozono es el alto costo del equipo de generación de ozono y los requisitos de operadores especiales. El tratamiento de aguas residuales con ozono requiere el uso de un generador de ozono , que descontamina el agua a medida que las burbujas de ozono se filtran a través del tanque.

Las membranas también pueden ser desinfectantes eficaces, ya que actúan como barreras, impidiendo el paso de los microorganismos. Como resultado, el efluente final puede estar libre de organismos patógenos, dependiendo del tipo de membrana utilizada. Este principio se aplica en los biorreactores de membrana .

Las aguas residuales pueden contener niveles elevados de nitrógeno y fósforo . Los valores típicos de cargas de nutrientes por persona y concentraciones de nutrientes en aguas residuales sin tratar en países en desarrollo se han publicado de la siguiente manera: 8 g/persona/día de nitrógeno total (45 mg/L), 4,5 g/persona/día de amoníaco -N (25 mg/L) y 1,0 g/persona/día de fósforo total (7 mg/L). ^{[4] : 57} Los rangos típicos para estos valores son: 6-10 g/persona/día de nitrógeno total (35-60 mg/L), 3,5-6 g/persona/día de amoníaco-N (20-35 mg/L) y 0,7-2,5 g/persona/día de fósforo total (4-15 mg/L). ^{[4] : 57}

La liberación excesiva al medio ambiente puede provocar contaminación por nutrientes , que puede manifestarse en forma de eutrofización . Este proceso puede provocar floraciones de algas , un crecimiento rápido y posterior descomposición de la población de algas. Además de provocar desoxigenación, algunas especies de algas producen toxinas que contaminan los suministros de agua potable .

El nitrógeno amoniaco, en forma de amoniaco libre (NH3 ₎ , es tóxico para los peces. El nitrógeno amoniaco, cuando se convierte en nitrito y luego en nitrato en un cuerpo de agua, en el proceso de nitrificación, está asociado con el consumo de oxígeno disuelto. El nitrito y el nitrato también pueden tener importancia para la salud pública si las concentraciones son altas en el agua potable , debido a una enfermedad llamada metahemoglobinemia . ^{[4] : 42}

La eliminación del fósforo es importante, ya que es un nutriente limitante para el crecimiento de algas en muchos sistemas de agua dulce. Por lo tanto, un exceso de fósforo puede provocar eutrofización. También es particularmente importante para los sistemas de reutilización de agua , donde las altas concentraciones de fósforo pueden provocar la contaminación de los equipos posteriores, como los de ósmosis inversa .

Existe una variedad de procesos de tratamiento disponibles para eliminar el nitrógeno y el fósforo. Algunos consideran que la eliminación biológica de nutrientes (BNR) es un tipo de proceso de tratamiento secundario ^[7] y otros lo consideran un proceso de tratamiento terciario (o avanzado ).

El nitrógeno se elimina mediante la oxidación biológica del nitrógeno del amoniaco a nitrato ( nitrificación ), seguida de la desnitrificación , la reducción del nitrato a gas nitrógeno. El gas nitrógeno se libera a la atmósfera y, por lo tanto, se elimina del agua.

La nitrificación en sí es un proceso aeróbico de dos pasos, cada paso facilitado por un tipo diferente de bacteria. La oxidación de amoníaco (NH ₄ ⁺ ) a nitrito (NO ₂ ⁻ ) es facilitada con mayor frecuencia por bacterias como Nitrosomonas spp. ( nitroso se refiere a la formación de un grupo funcional nitroso ). La oxidación de nitrito a nitrato (NO ₃ ⁻ ), aunque tradicionalmente se creía que era facilitada por Nitrobacter spp. (nitro se refiere a la formación de un grupo funcional nitro ), ahora se sabe que es facilitada en el medio ambiente predominantemente por Nitrospira spp.

La desnitrificación requiere condiciones anóxicas para fomentar la formación de las comunidades biológicas apropiadas. Las condiciones anóxicas se refieren a una situación en la que el oxígeno está ausente pero el nitrato está presente. La desnitrificación se ve facilitada por una amplia diversidad de bacterias. El proceso de lodos activados , los filtros de arena , los estanques de estabilización de residuos , los humedales construidos y otros procesos se pueden utilizar para reducir el nitrógeno. ^{[25] : 17–18} Dado que la desnitrificación es la reducción del nitrato a gas dinitrógeno (nitrógeno molecular), se necesita un donante de electrones . Este puede ser, dependiendo del agua residual, materia orgánica (de las propias aguas residuales), sulfuro o un donante añadido como el metanol . El lodo en los tanques anóxicos (tanques de desnitrificación) debe mezclarse bien (mezcla de licor mixto recirculado, lodo activado de retorno e influente crudo) por ejemplo, utilizando mezcladores sumergibles para lograr la desnitrificación deseada.

Con el tiempo, han evolucionado diferentes configuraciones de tratamiento para los procesos de lodos activados para lograr altos niveles de eliminación de nitrógeno. Un esquema inicial se denominó Proceso Ludzack-Ettinger. No pudo lograr un alto nivel de desnitrificación. ^{[7] : 616} El Proceso Ludzack-Ettinger Modificado (MLE) llegó más tarde y fue una mejora del concepto original. Recicla el licor mezclado desde el extremo de descarga del tanque de aireación hasta la cabeza del tanque anóxico. Esto proporciona nitrato para las bacterias facultativas. ^{[7] : 616}

Existen otras configuraciones de proceso, como variaciones del proceso Bardenpho. ^{[30] : 160} Pueden diferir en la ubicación de los tanques anóxicos, por ejemplo, antes y después de los tanques de aireación.

Estudios de aguas residuales de Estados Unidos a fines de la década de 1960 estimaron contribuciones per cápita medias de 500 gramos (18 oz) en orina y heces, 1000 gramos (35 oz) en detergentes sintéticos y cantidades variables menores utilizadas como productos químicos de control de corrosión y incrustaciones en suministros de agua. ^[31] El control de la fuente mediante formulaciones de detergentes alternativos ha reducido posteriormente la mayor contribución, pero naturalmente el contenido de fósforo en la orina y las heces permaneció sin cambios.

El fósforo se puede eliminar biológicamente en un proceso denominado eliminación biológica mejorada de fósforo . En este proceso, bacterias específicas, llamadas organismos acumuladores de polifosfato (PAO), se enriquecen selectivamente y acumulan grandes cantidades de fósforo dentro de sus células (hasta el 20 por ciento de su masa). ^{[30] : 148–155}

La eliminación de fósforo también se puede lograr mediante precipitación química , generalmente con sales de hierro (por ejemplo, cloruro férrico ) o aluminio (por ejemplo, alumbre ), o cal. ^{[25] : 18} Esto puede conducir a una mayor producción de lodos, ya que los hidróxidos precipitan y los productos químicos agregados pueden ser costosos. La eliminación química de fósforo requiere una huella de equipo significativamente menor que la eliminación biológica, es más fácil de operar y, a menudo, es más confiable que la eliminación biológica de fósforo. Otro método para la eliminación de fósforo es utilizar laterita granular o zeolita . ^{[32] [33]}

Algunos sistemas utilizan tanto la eliminación biológica del fósforo como la eliminación química del fósforo. La eliminación química del fósforo en esos sistemas se puede utilizar como un sistema de respaldo, para su uso cuando la eliminación biológica del fósforo no elimina suficiente fósforo, o se puede utilizar de forma continua. En cualquier caso, el uso de la eliminación biológica y química del fósforo tiene la ventaja de no aumentar la producción de lodos tanto como la eliminación química del fósforo por sí sola, con la desventaja del aumento del costo inicial asociado con la instalación de dos sistemas diferentes.

Una vez eliminado, el fósforo, en forma de lodos de depuradora ricos en fosfato , puede enviarse a vertederos o usarse como fertilizante mezclado con otros lodos de depuradora digeridos. En este último caso, los lodos de depuradora tratados también se denominan a veces biosólidos. El 22% de las necesidades mundiales de fósforo podrían satisfacerse reciclando las aguas residuales residenciales. ^{[34] [35]}

Los microcontaminantes como los productos farmacéuticos, los ingredientes de los productos químicos domésticos, los productos químicos utilizados en pequeñas empresas o industrias, los contaminantes farmacéuticos persistentes ambientales (EPPP) o los pesticidas pueden no eliminarse en los procesos de tratamiento de aguas residuales comúnmente utilizados (tratamiento primario, secundario y terciario) y, por lo tanto, conducen a la contaminación del agua. ^[36] Aunque las concentraciones de esas sustancias y sus productos de descomposición son bastante bajas, todavía existe la posibilidad de dañar a los organismos acuáticos. En el caso de los productos farmacéuticos , se han identificado las siguientes sustancias como toxicológicamente relevantes: sustancias con efectos disruptores endocrinos , sustancias genotóxicas y sustancias que potencian el desarrollo de resistencias bacterianas . ^[37] Pertenecen principalmente al grupo de EPPP.

En Alemania, Suiza, Suecia ^[3] y los Países Bajos se han implementado técnicas para la eliminación de microcontaminantes mediante una cuarta etapa de tratamiento durante el tratamiento de aguas residuales, y se están realizando pruebas en otros países. ^[38] Dichos pasos del proceso consisten principalmente en filtros de carbón activado que adsorben los microcontaminantes. La combinación de oxidación avanzada con ozono seguida de carbón activado granular (GAC) se ha sugerido como una combinación de tratamiento rentable para residuos farmacéuticos. Para una reducción completa de microplastos se ha sugerido la combinación de ultrafiltración seguida de GAC. También se está investigando el uso de enzimas como la lacasa secretada por hongos. ^{[39] [40]} Se investigan las células de biocombustible microbianas por su propiedad para tratar la materia orgánica en aguas residuales. ^[41]

Para reducir la presencia de fármacos en los cuerpos de agua, también se están investigando medidas de control de origen, como innovaciones en el desarrollo de fármacos o un manejo más responsable de los mismos. ^{[37] [42]} En los EE. UU., la Iniciativa Nacional de Devolución es un programa voluntario con el público en general, que alienta a las personas a devolver los medicamentos excedentes o vencidos y evitar arrojarlos al sistema de alcantarillado. ^[43]

Las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden tener efectos significativos en el estado biótico de las aguas receptoras y pueden causar cierta contaminación del agua, especialmente si el proceso de tratamiento utilizado es solo básico. Por ejemplo, en el caso de las plantas de tratamiento de aguas residuales sin eliminación de nutrientes, la eutrofización de los cuerpos de agua receptores puede ser un problema.

En 2024, la Real Academia de Ingeniería publicó un estudio sobre los efectos de las aguas residuales en la salud pública en el Reino Unido. ^[52] El estudio ganó la atención de los medios, con comentarios de los principales profesionales de la salud del Reino Unido, incluido Sir Chris Whitty . Se describen 15 recomendaciones para que varios organismos del Reino Unido reduzcan drásticamente los riesgos para la salud pública aumentando la calidad del agua en sus vías fluviales , como ríos y lagos.

Tras la publicación del informe, el periódico The Guardian entrevistó a Whitty, quien afirmó que la mejora de la calidad del agua y el tratamiento de las aguas residuales debería ser de gran importancia y una "prioridad de salud pública". Lo comparó con la erradicación del cólera en el siglo XIX en el país tras las mejoras en la red de tratamiento de aguas residuales. ^[53] El estudio también identificó que los bajos caudales de agua en los ríos provocaban altos niveles de concentración de aguas residuales , así como épocas de inundaciones o fuertes lluvias. Si bien las fuertes lluvias siempre se habían asociado con desbordamientos de aguas residuales en arroyos y ríos, los medios británicos llegaron al extremo de advertir a los padres sobre los peligros de remar en ríos poco profundos durante el clima cálido. ^[54]

Los comentarios de Whitty se produjeron después de que el estudio revelara que el Reino Unido estaba experimentando un crecimiento en el número de personas que utilizaban las aguas costeras e interiores con fines recreativos. Esto podría estar relacionado con un creciente interés en actividades como la natación en aguas abiertas u otros deportes acuáticos . ^[55] A pesar de este crecimiento en la recreación, la mala calidad del agua hizo que algunas personas se sintieran mal durante los eventos. ^[56] En particular, los Juegos Olímpicos de París de 2024 tuvieron que retrasar numerosos eventos centrados en la natación, como el triatlón, debido a los altos niveles de aguas residuales en el río Sena . ^[57]

Cada vez más, la gente utiliza aguas residuales tratadas o incluso no tratadas para regar los cultivos. Las ciudades ofrecen mercados lucrativos para los productos frescos, por lo que resultan atractivas para los agricultores. Como la agricultura tiene que competir con la industria y los usuarios municipales por unos recursos hídricos cada vez más escasos, a menudo los agricultores no tienen otra alternativa que utilizar directamente el agua contaminada con aguas residuales para regar sus cultivos. El uso de agua cargada de patógenos de esta manera puede entrañar importantes riesgos para la salud. La Organización Mundial de la Salud elaboró ​​en 2006 unas directrices para el uso seguro de las aguas residuales ^[58]. En ellas se aboga por un enfoque de "múltiples barreras" para el uso de las aguas residuales, en el que se anima a los agricultores a adoptar diversas conductas de reducción de riesgos, como dejar de regar unos días antes de la cosecha para permitir que los patógenos mueran con la luz del sol, aplicar el agua con cuidado para que no contamine las hojas que probablemente se comerán crudas, limpiar las verduras con desinfectante o dejar que los lodos fecales utilizados en la agricultura se sequen antes de utilizarlos como abono humano ^{[59] .}

Antes del siglo XX, en Europa, las alcantarillas solían descargarse en un cuerpo de agua como un río, un lago o un océano. No había tratamiento, por lo que la descomposición de los desechos humanos se dejaba en manos del ecosistema . Esto podía dar resultados satisfactorios si la capacidad de asimilación del ecosistema era suficiente, lo que hoy en día no suele ser el caso debido a la creciente densidad de población. ^{[4] : 78}

En la actualidad, la situación en las zonas urbanas de los países industrializados suele ser que las alcantarillas dirigen su contenido a una planta de tratamiento de aguas residuales en lugar de directamente a un cuerpo de agua. Sin embargo, en muchos países en desarrollo , la mayor parte de las aguas residuales municipales e industriales se vierten a los ríos y al océano sin ningún tratamiento o solo después de un tratamiento preliminar o primario. Hacerlo puede provocar contaminación del agua . Existen pocas cifras fiables sobre la proporción de aguas residuales recogidas en las alcantarillas que se tratan en todo el mundo. Una estimación mundial del PNUD y ONU-Hábitat en 2010 fue que el 90% de todas las aguas residuales generadas se vierten al medio ambiente sin tratamiento. ^[63] Un estudio más reciente en 2021 estimó que, a nivel mundial, alrededor del 52% de las aguas residuales son tratadas. ^[5] Sin embargo, las tasas de tratamiento de aguas residuales son muy desiguales entre los distintos países del mundo. Por ejemplo, mientras que los países de altos ingresos tratan aproximadamente el 74% de sus aguas residuales, los países en desarrollo tratan un promedio de solo el 4,2%. ^[5] A partir de 2022, sin un tratamiento suficiente, más del 80% de todas las aguas residuales generadas a nivel mundial se vierten al medio ambiente. Los países de altos ingresos tratan, en promedio, el 70% de las aguas residuales que producen, según ONU-Agua. ^{[34] [64] [65]} Solo el 8% de las aguas residuales producidas en los países de bajos ingresos recibe algún tipo de tratamiento. ^{[34] [66] [67]}

El Programa Conjunto de Monitoreo del Abastecimiento de Agua y Saneamiento (JMP) de la OMS y el UNICEF informó en 2021 que el 82% de las personas con conexiones de alcantarillado están conectadas a plantas de tratamiento de aguas residuales que proporcionan al menos un tratamiento secundario. ^{[68] : 55} Sin embargo, este valor varía ampliamente entre regiones. Por ejemplo, en Europa, América del Norte, África del Norte y Asia Occidental, un total de 31 países tenían un tratamiento universal (>99%) de las aguas residuales. Sin embargo, en Albania, Bermudas, Macedonia del Norte y Serbia "menos del 50% de las aguas residuales alcantarilladas recibieron un tratamiento secundario o mejor" y en Argelia, Líbano y Libia el valor fue inferior al 20% de las aguas residuales alcantarilladas que estaban siendo tratadas. El informe también encontró que "a nivel mundial, 594 millones de personas tienen conexiones de alcantarillado que no reciben un tratamiento suficiente. Muchas más están conectadas a plantas de tratamiento de aguas residuales que no proporcionan un tratamiento eficaz o no cumplen con los requisitos de efluentes". ^{[68] : 55}

El Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 tiene una Meta 6.3 que se formula de la siguiente manera: “De aquí a 2030, mejorar la calidad del agua reduciendo la contaminación, eliminando, vertiendo y minimizando la liberación de productos químicos y materiales peligrosos, reduciendo a la mitad la proporción de aguas residuales sin tratar y aumentando sustancialmente el reciclado y la reutilización segura a nivel mundial”. ^[62] El Indicador 6.3.1 correspondiente es la “proporción de aguas residuales tratadas de manera segura”. Se prevé que la producción de aguas residuales aumentará un 24% para 2030 y un 51% para 2050. ^{[34] [69] [70]}

Los datos de 2020 muestran que todavía hay demasiadas aguas residuales domésticas sin recoger: solo el 66 % de todos los flujos de aguas residuales domésticas se recogieron en plantas de tratamiento en 2020 (esto se determina a partir de datos de 128 países). ^{[8] : 17} Basándose en datos de 42 países en 2015, el informe afirmó que "el 32 por ciento de todos los flujos de aguas residuales generados a partir de fuentes puntuales recibieron al menos algún tratamiento". ^{[8] : 17} En el caso de las aguas residuales que efectivamente se han recogido en plantas de tratamiento de aguas residuales centralizadas, alrededor del 79 % se trató de manera segura en 2020. ^{[8] : 18}

La historia del tratamiento de aguas residuales tuvo los siguientes desarrollos: Comenzó con la aplicación en tierra ( granjas de aguas residuales ) en la década de 1840 en Inglaterra, seguido por el tratamiento químico y la sedimentación de las aguas residuales en tanques, luego el tratamiento biológico a fines del siglo XIX, lo que llevó al desarrollo del proceso de lodos activados a partir de 1912. ^{[71] [72]}

En la mayoría de los países, la recolección y el tratamiento de aguas residuales están sujetos a regulaciones y normas locales y nacionales .

En la Unión Europea, el 0,8% del consumo total de energía se destina a instalaciones de tratamiento de aguas residuales. ^{[34] [76]} La Unión Europea necesita realizar inversiones adicionales de 90 000 millones de euros en el sector del agua y los residuos para cumplir sus objetivos climáticos y energéticos para 2030. ^{[34] [77] [78]}

En octubre de 2021, los miembros del Parlamento británico votaron a favor de seguir permitiendo que las aguas residuales no tratadas de los desbordes de las alcantarillas combinadas se viertan en los cursos de agua. ^{[79] [80]}

En la India, las normas sobre el tratamiento de las aguas residuales son competencia de tres instituciones centrales: los ministerios de Bosques, Cambio Climático, Vivienda, Asuntos Urbanos y Agua. ^[83] Las diversas políticas sobre agua y saneamiento, como la "Política Nacional de Medio Ambiente de 2006" y la "Política Nacional de Saneamiento de 2008", también establecen normas sobre el tratamiento de las aguas residuales. Los gobiernos estatales y los municipios locales son responsables de la eliminación de las aguas residuales y de la construcción y el mantenimiento de la "infraestructura de alcantarillado". Sus esfuerzos cuentan con el apoyo de los planes que ofrece el Gobierno de la India, como el Plan Nacional de Conservación de los Ríos, la Misión Nacional de Renovación Urbana Jawaharlal Nehru y el Plan Nacional de Conservación de los Lagos. A través del Ministerio de Medio Ambiente y Bosques, el Gobierno de la India también ha establecido incentivos que alientan a las industrias a establecer "instalaciones comunes" para llevar a cabo el tratamiento de las aguas residuales. ^[84]

La Delhi Jal Board (DJB) está trabajando actualmente en la construcción de la planta de tratamiento de aguas residuales más grande de la India. Estará operativa a fines de 2022 con una capacidad estimada de 564 MLD. Se supone que resolverá la situación actual en la que las aguas residuales sin tratar se vierten directamente al río Yamuna.

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