Tratamiento de agua
Proceso que mejora la calidad del agua
Planta de tratamiento de agua de Dalecarlia, Washington, DC

El tratamiento del agua es cualquier proceso que mejora la calidad del agua para hacerla apropiada para un uso final específico. El uso final puede ser potable , suministro de agua industrial, riego , mantenimiento del caudal de los ríos, recreación acuática o muchos otros usos, incluida la devolución segura al medio ambiente. El tratamiento del agua elimina contaminantes y componentes indeseables, o reduce su concentración para que el agua sea apta para su uso final deseado. Este tratamiento es crucial para la salud humana y permite que los seres humanos se beneficien tanto del consumo como del uso de riego .

Tipos

Tratamiento de agua potable

La contaminación del agua se debe principalmente a la descarga de aguas residuales no tratadas de las empresas. El efluente de varias empresas, que contiene distintos niveles de contaminantes, se vierte en ríos u otros recursos hídricos. Las aguas residuales pueden tener una alta proporción de contaminantes orgánicos e inorgánicos en la descarga inicial. Las industrias generan aguas residuales como resultado de los procesos de fabricación, los procesos relacionados con el papel y la pulpa , los textiles , los productos químicos y de diversas corrientes como torres de refrigeración , calderas y líneas de producción. [1]

Procesos típicos de tratamiento de agua potable

El tratamiento para la producción de agua potable implica la eliminación de contaminantes y/o la inactivación de cualquier microbio potencialmente dañino del agua cruda para producir agua que sea lo suficientemente pura para el consumo humano sin ningún riesgo a corto o largo plazo de efectos adversos para la salud. En términos generales, los mayores riesgos microbianos están asociados con la ingestión de agua contaminada con heces humanas o animales (incluidas las aves). Las heces pueden ser una fuente de bacterias patógenas, virus, protozoos y helmintos. La eliminación o destrucción de patógenos microbianos es esencial y, por lo general, implica el uso de agentes químicos reactivos, como sólidos suspendidos , para eliminar bacterias , algas , virus , hongos y minerales , incluidos el hierro y el manganeso . La investigación, que incluye al grupo de la profesora Linda Lawton en la Universidad Robert Gordon , Aberdeen, está trabajando para mejorar la detección de cianobacterias . [2] Estas sustancias siguen causando un gran daño a varios países menos desarrollados que no tienen acceso a sistemas efectivos de purificación de agua. [ ¿ Investigación original? ]

Las medidas adoptadas para garantizar la calidad del agua no sólo se refieren al tratamiento del agua, sino también a su transporte y distribución después del tratamiento. Por ello, es una práctica habitual mantener desinfectantes residuales en el agua tratada para eliminar la contaminación bacteriológica durante la distribución y mantener limpias las tuberías. [3]

El agua que se suministra a propiedades domésticas, como el agua del grifo o para otros usos, puede ser sometida a un tratamiento adicional antes de su uso, a menudo mediante un proceso de tratamiento en línea. Dichos tratamientos pueden incluir el ablandamiento del agua o el intercambio iónico. [ cita requerida ]

Tratamiento de aguas residuales

Planta de tratamiento de aguas residuales (un tipo de planta de tratamiento de aguas residuales) en La Crosse, Wisconsin

El tratamiento de aguas residuales es un proceso que elimina los contaminantes de las aguas residuales . De este modo, las convierte en un efluente que puede devolverse al ciclo del agua . Una vez de vuelta en el ciclo del agua, el efluente crea un impacto aceptable en el medio ambiente. También es posible reutilizarlo. Este proceso se llama recuperación de agua . [4] El proceso de tratamiento se lleva a cabo en una planta de tratamiento de aguas residuales. Hay varios tipos de aguas residuales que se tratan en el tipo apropiado de planta de tratamiento de aguas residuales. Para las aguas residuales domésticas, la planta de tratamiento se llama tratamiento de aguas residuales . Las aguas residuales municipales o aguas residuales son otros nombres para las aguas residuales domésticas. Para las aguas residuales industriales, el tratamiento se lleva a cabo en un tratamiento de aguas residuales industriales separado , o en una planta de tratamiento de aguas residuales. En este último caso, generalmente sigue al pretratamiento. Otros tipos de plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen el tratamiento de aguas residuales agrícolas y las plantas de tratamiento de lixiviados .

Un proceso común en el tratamiento de aguas residuales es la separación de fases, como la sedimentación. Los procesos biológicos y químicos como la oxidación son otro ejemplo. El pulido también es un ejemplo. El principal subproducto de las plantas de tratamiento de aguas residuales es un tipo de lodo que generalmente se trata en la misma o en otra planta de tratamiento de aguas residuales. [5] : Cap.14  El biogás puede ser otro subproducto si el proceso utiliza un tratamiento anaeróbico. Las aguas residuales tratadas se pueden reutilizar como agua recuperada . [6] El objetivo principal del tratamiento de aguas residuales es que las aguas residuales tratadas puedan eliminarse o reutilizarse de forma segura. Sin embargo, antes de tratarlas, se deben considerar las opciones de eliminación o reutilización para utilizar el proceso de tratamiento correcto en las aguas residuales.

El término "tratamiento de aguas residuales" se utiliza a menudo para significar "tratamiento de aguas residuales". [7]

Tratamiento de aguas industriales

El tratamiento del agua se utiliza para optimizar la mayoría de los procesos industriales basados ​​en agua, como calefacción, refrigeración, procesamiento, limpieza y enjuague, de modo que se reduzcan los costos operativos y los riesgos. Un tratamiento deficiente del agua permite que el agua interactúe con las superficies de las tuberías y los recipientes que la contienen. Las calderas de vapor pueden acumular incrustaciones o corroerse, y estos depósitos significarán que se necesitará más combustible para calentar la misma cantidad de agua. Las torres de enfriamiento también pueden acumular incrustaciones y corroerse, pero si no se tratan, el agua tibia y sucia que pueden contener fomentará el crecimiento de bacterias, y la enfermedad del legionario puede ser la consecuencia fatal. El tratamiento del agua también se utiliza para mejorar la calidad del agua que entra en contacto con el producto fabricado (por ejemplo, semiconductores) y/o puede ser parte del producto (por ejemplo, bebidas, productos farmacéuticos). En estos casos, un tratamiento deficiente del agua puede provocar productos defectuosos. [ cita requerida ]

En muchos casos, el agua residual de un proceso puede ser apta para su reutilización en otro proceso si se le da el tratamiento adecuado. Esto puede reducir los costos al disminuir los cargos por consumo de agua, reducir los costos de eliminación de efluentes debido a la reducción del volumen y disminuir los costos de energía debido a la recuperación de calor en aguas residuales recicladas.
En la planta de agua subterránea artificial de Turun Seudun Vesi Oy , el agua cruda pretratada del río Kokemäki se absorbe a través de las cuencas hacia la formación de la cresta de Virttaankangas.

Procesos

Tanque de aireación vacío para precipitación de hierro.

Para eliminar sustancias químicas peligrosas del agua se han aplicado numerosos procedimientos de tratamiento . [8]

Los procesos involucrados en la eliminación de contaminantes incluyen procesos físicos como la sedimentación y la filtración , procesos químicos como la desinfección y la coagulación , y procesos biológicos como la filtración lenta con arena .

Para el tratamiento de agua potable municipal en todo el mundo se utiliza una combinación seleccionada de los siguientes procesos (dependiendo de la estación y de los contaminantes y productos químicos presentes en el agua cruda).

Químico

Tanques con filtros de arena para eliminar el hierro precipitado (no funcionan en este momento)

Para la eliminación segura de contaminantes se utilizan diferentes procedimientos químicos para la conversión en productos finales o la eliminación de contaminantes. [9]

  • Precloración para controlar las algas y detener el crecimiento biológico.
  • Aireación junto con precloración para eliminar el hierro disuelto cuando está presente con cantidades relativamente pequeñas de manganeso.
  • Desinfección para matar bacterias, virus y otros patógenos, utilizando cloro, ozono y luz ultravioleta.

Físico

Las técnicas físicas de tratamiento de agua y aguas residuales se basan en fenómenos físicos para completar el proceso de eliminación, en lugar de cambios biológicos o químicos. [9]

Las técnicas físicas más comunes son:

  • La sedimentación es uno de los procedimientos más importantes para el tratamiento de aguas residuales. La sedimentación por gravedad es un método para separar partículas de un fluido. La partícula en suspensión permanece estable en condiciones de reposo debido a la disminución de la velocidad del agua durante todo el proceso de tratamiento del agua, tras lo cual las partículas se sedimentan por la fuerza de la gravedad. [10] [11] Para la separación de sólidos, es la eliminación de los sólidos suspendidos atrapados en el flóculo.
  • La filtración es la técnica de eliminación de contaminantes en función del tamaño de sus partículas. La eliminación de contaminantes de las aguas residuales permite reutilizarlas para diversos fines. Los tipos de filtros utilizados en el procedimiento difieren en función de los contaminantes presentes en el agua. La filtración de partículas y la filtración por membrana son las dos formas principales de filtración de aguas residuales. [12]
  • La flotación por aire disuelto ( desgasificación ) es el proceso de eliminación de gases disueltos de una solución . La ley de Henry establece que la cantidad de gas disuelto en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas. La desgasificación es un método de bajo costo para eliminar el gas de dióxido de carbono de las aguas residuales que eleva el pH del agua al eliminar el gas. [9]
  • El desaireador se utiliza para reducir el oxígeno y el nitrógeno en aplicaciones de agua de alimentación de calderas.

Físico-químico

También conocido como tratamiento “convencional”

  • Coagulación para floculación . La adición de coagulantes desestabiliza las suspensiones coloidales neutralizando sus cargas, lo que da lugar a la agregación de partículas más pequeñas durante el proceso de coagulación. [13]
  • Coadyuvantes de coagulación, también conocidos como polielectrolitos , para mejorar la coagulación y lograr una formación de flóculos más robusta.
  • Los polielectrolitos, también conocidos en el campo como polímeros , generalmente están compuestos por una carga positiva o negativa. La naturaleza del polielectrolito utilizado se basa exclusivamente en las características del agua de origen de la planta de tratamiento.
  • Por lo general, se utilizarán junto con un coagulante primario como cloruro férrico, sulfato férrico o alumbre.

La precipitación química es un proceso común que se utiliza para reducir las concentraciones de metales pesados ​​en las aguas residuales. Los iones metálicos disueltos se transforman en una fase insoluble mediante una interacción química con un agente precipitante como la cal. En aplicaciones industriales se pueden utilizar álcalis más fuertes para lograr una precipitación completa. En el tratamiento del agua potable, el efecto de los iones comunes se utiliza a menudo para ayudar a reducir la dureza del agua. [14]

La flotación utiliza la unión de burbujas para separar sólidos o líquidos dispersos de una fase líquida. [15]

Filtración por membrana

La filtración por membrana puede eliminar sólidos suspendidos y componentes orgánicos, así como contaminantes inorgánicos como metales pesados. Para la eliminación de metales pesados, se pueden utilizar varias formas de filtración por membrana , como la ultrafiltración , la nanofiltración y la ósmosis inversa , según el tamaño de partícula que se pueda mantener. [16] [17] Se pueden agregar aminofosfonatos para obtener propiedades antiincrustantes para mantener la filtración. [18]

Intercambio iónico

El intercambio iónico es un proceso de intercambio iónico reversible en el que una sustancia insoluble ( resina ) toma iones de una solución electrolítica y libera iones adicionales de la misma carga en una cantidad químicamente comparable sin cambiar la estructura de la resina. [19] [20]

Técnicas de tratamiento electroquímico

  • Electrodiálisis (ED)
  • Electrólisis de membrana (EM)
  • Precipitación electroquímica (EP) [17]

Adsorción

La adsorción es un proceso de transferencia de masa en el que una sustancia se transporta desde la fase líquida a la superficie de un sólido/líquido (adsorbente) y se une física y químicamente (adsorbato). La adsorción se puede clasificar en dos formas según el tipo de atracción entre el adsorbato y el adsorbente: adsorción física y química, comúnmente conocida como fisisorción y quimisorción. [21] [22]

Carbón activado

Los carbones activados (AC) o carbón activado biológico (BAC) [23] son ​​adsorbentes eficaces para una amplia variedad de contaminantes. La eliminación por adsorción de color, aroma, sabor y otros componentes orgánicos e inorgánicos nocivos del agua potable y las aguas residuales es una de sus aplicaciones industriales. [24]

Tanto una gran superficie como un gran tamaño de poro pueden mejorar la eficiencia del carbón activado. El carbón activado se ha utilizado en varios estudios para eliminar metales pesados ​​y otros tipos de contaminantes de las aguas residuales. El coste del carbón activado está aumentando debido a la escasez de carbón activado comercial (CA). Debido a su gran superficie, porosidad y flexibilidad, el carbón activado tiene un gran potencial en el tratamiento de aguas residuales. [24]

Biológico

Este es el método por el cual se eliminan los componentes químicos orgánicos disueltos y suspendidos a través de la biodegradación , en la que se proporciona una cantidad óptima de microorganismos para recrear el mismo proceso natural de autodepuración. [25] A través de dos procesos biológicos distintos , como la oxidación biológica y la biosíntesis , los microorganismos pueden degradar los materiales orgánicos en las aguas residuales. Los microorganismos involucrados en el tratamiento de aguas residuales producen productos finales como minerales , dióxido de carbono y amoníaco durante el proceso de oxidación biológica. Los minerales (productos) permanecieron en las aguas residuales y se descargaron con el efluente . Los microorganismos utilizan los materiales orgánicos de las aguas residuales para generar nuevas células microbianas con biomasa densa que se elimina por sedimentación a lo largo del proceso de biosíntesis. [26]

Normas

Muchos países desarrollados especifican normas que deben aplicarse en su propio país. En Europa, esto incluye la Directiva Europea sobre Agua Potable [27] y en los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) establece normas según lo exige la Ley de Agua Potable Segura . Para los países que no cuentan con un marco legislativo o administrativo para dichas normas, la Organización Mundial de la Salud publica directrices sobre las normas que deben cumplirse. [28] China adoptó su propia norma de agua potable GB3838-2002 (Tipo II) promulgada por el Ministerio de Protección Ambiental en 2002. [29]

Cuando existen normas de calidad del agua potable, la mayoría se expresan como directrices u objetivos en lugar de requisitos, y muy pocas normas tienen una base jurídica o están sujetas a cumplimiento. [30] Dos excepciones son la Directiva Europea sobre el Agua Potable y la Ley de Agua Potable Segura de los Estados Unidos, que exigen el cumplimiento legal de normas específicas.

Países en desarrollo

Las opciones de tecnología apropiadas para el tratamiento del agua incluyen diseños de punto de uso (POU) o de autoabastecimiento tanto a escala comunitaria como doméstica . [31] Dichos diseños pueden emplear métodos de desinfección solar del agua , utilizando la irradiación solar para inactivar directamente los microorganismos dañinos transmitidos por el agua, principalmente por el componente UV-A del espectro solar, o indirectamente a través de la presencia de un fotocatalizador de óxido , típicamente soportado TiO2 en sus fases anatasa o rutilo . [32] A pesar del progreso en la tecnología SODIS , las unidades de tratamiento de agua excedentes militares como el ERDLator todavía se utilizan con frecuencia en los países en desarrollo. Las unidades de purificación de agua por ósmosis inversa (ROWPU) de estilo militar más nuevas son plantas de tratamiento de agua portátiles y autónomas que se están volviendo más disponibles para uso público. [33]

Para que la reducción de las enfermedades transmitidas por el agua sea duradera, los programas de tratamiento del agua que los grupos de investigación y desarrollo inicien en los países en desarrollo deben ser sostenibles para los ciudadanos de esos países. Esto puede garantizar la eficiencia de esos programas después de la partida del equipo de investigación, ya que el seguimiento es difícil debido a la lejanía de muchos lugares.

Consumo de energía: Las plantas de tratamiento de agua pueden ser importantes consumidores de energía. En California, más del 4% del consumo de electricidad del estado se destina al transporte de agua de calidad moderada a largas distancias, tratándola con un alto estándar. [34] En áreas con fuentes de agua de alta calidad que fluyen por gravedad hasta el punto de consumo, los costos serán mucho más bajos. Gran parte de los requisitos de energía están en el bombeo. Los procesos que evitan la necesidad de bombeo tienden a tener demandas de energía generales bajas. Aquellas tecnologías de tratamiento de agua que tienen requisitos de energía muy bajos incluyen filtros percoladores , filtros de arena lentos y acueductos por gravedad .

Un estudio de 2021 encontró que un programa de cloración de agua a gran escala en áreas urbanas de México redujo masivamente las tasas de mortalidad por enfermedades diarreicas infantiles. [35]

Materiales

Los aceros inoxidables, como el tipo 304L y 316L, se utilizan ampliamente en la fabricación de plantas de tratamiento de agua debido a su resistencia a la corrosión del agua y a la corrosividad de la cloración utilizada para la desinfección. [36] [37]

Véase también

Referencias

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  • NSF International – Organización de normalización independiente sin fines de lucro
  • WHO.int, Directrices de la OMS
  • Sitio web sobre agua segura y sostenible para Haití, presentado por la Universidad Estatal de Grand Valley
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