El tratamiento secundario es un proceso de tratamiento de aguas residuales (o aguas residuales ) para lograr un cierto grado de calidad del efluente mediante el uso de una planta de tratamiento de aguas residuales con separación física de fases para eliminar los sólidos sedimentables y un proceso biológico para eliminar los compuestos orgánicos disueltos y suspendidos. Después de este tipo de tratamiento, las aguas residuales pueden denominarse aguas residuales de tratamiento secundario.
El tratamiento secundario es la parte de una secuencia de tratamiento de aguas residuales que elimina los compuestos coloidales y disueltos medidos como demanda bioquímica de oxígeno (DBO). El tratamiento secundario se aplica tradicionalmente a la porción líquida de las aguas residuales después de que el tratamiento primario haya eliminado los sólidos sedimentables y el material flotante. El tratamiento secundario suele ser realizado por microorganismos acuáticos autóctonos en un hábitat aeróbico gestionado . Las bacterias y los protozoos consumen contaminantes orgánicos solubles biodegradables (por ejemplo , azúcares , grasas y moléculas de carbono orgánico de cadena corta de los desechos humanos,desperdicios de alimentos , jabones y detergente) mientras se reproducen para formar células de sólidos biológicos. Los procesos de oxidación biológica son sensibles a la temperatura y, entre 0 ° C y 40 ° C, la velocidad de las reacciones biológicas aumenta con la temperatura. La mayoría de los recipientes aireados de superficie operan entre 4 ° C y 32 ° C. [1]
Definiciones
Tratamiento primario
El tratamiento primario de las aguas residuales mediante sedimentación en reposo permite la separación del material flotante y los sólidos pesados de los desechos líquidos. El líquido restante generalmente contiene menos de la mitad del contenido de sólidos original y aproximadamente dos tercios de la DBO en forma de coloides y compuestos orgánicos disueltos. [2] Donde los cuerpos de agua cercanos pueden diluir rápidamente estos desechos líquidos, las aguas residuales tratadas primarias pueden descargarse de modo que la descomposición biológica natural oxida los desechos restantes. [3]
La ciudad de San Diego utilizó la dilución del Océano Pacífico de efluentes primarios tratados en el siglo XXI. [4]
Tratamiento secundario
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) definió el tratamiento secundario basándose en el desempeño observado en los biorreactores de fines del siglo XX que trataban las aguas residuales municipales típicas de los Estados Unidos. [5] Se espera que las aguas residuales tratadas de forma secundaria produzcan efluentes con un promedio mensual de menos de 30 mg / l de DBO y menos de 30 mg / l de sólidos en suspensión . Los promedios semanales pueden ser hasta un 50 por ciento más altos. Se espera que una planta de tratamiento de aguas residuales que proporcione tratamiento primario y secundario elimine al menos el 85 por ciento de la DBO y los sólidos en suspensión de las aguas residuales domésticas. Las regulaciones de la EPA describen que los estanques de estabilización proporcionan un tratamiento equivalente al tratamiento secundario que elimina el 65 por ciento de la DBO y los sólidos en suspensión de las aguas residuales entrantes y descarga concentraciones de efluentes aproximadamente un 50 por ciento más altas que los biorreactores modernos. Las regulaciones también reconocen la dificultad de cumplir con los porcentajes de eliminación especificados de alcantarillas combinadas , aguas residuales industriales diluidas o infiltración / entrada . [6]
Donde las vías fluviales naturales son demasiado pequeñas para oxidar rápidamente las aguas residuales tratadas primarias, el líquido puede usarse para regar las granjas de aguas residuales hasta que los valores de las propiedades suburbanas fomenten los métodos de tratamiento secundario que requieren menos superficie. Los depósitos de arena glacial permitieron que algunas ciudades del noreste de los Estados Unidos utilizaran la filtración de arena intermitente hasta que se dispuso de biorreactores de tratamiento secundario más compactos . [7]
Algunos ingenieros sanitarios consideran la eliminación de nutrientes biológicos como un tratamiento secundario y otros como un tratamiento terciario. La diferenciación también puede diferir de un país a otro.
Tratamiento terciario
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 medio receptor (mar, río, lago, humedales, suelo, etc.). El tratamiento terciario puede incluir la eliminación de nutrientes biológicos (alternativamente, esto puede clasificarse como tratamiento secundario), la desinfección y eliminación de microcontaminantes, como contaminantes farmacéuticos ambientales persistentes .
Trastornos del proceso
Las alteraciones del proceso son disminuciones temporales en el rendimiento de la planta de tratamiento causadas por un cambio significativo de población dentro del ecosistema de tratamiento secundario. [8] Las condiciones que pueden crear trastornos incluyen, por ejemplo, productos químicos tóxicos y concentraciones inusualmente altas o bajas de DBO de desechos orgánicos que proporcionan alimento para el ecosistema del biorreactor.
Toxicidad
Los desechos que contienen concentraciones de biocidas que exceden el nivel de tolerancia del ecosistema del tratamiento secundario pueden matar una fracción importante de una o más especies importantes del ecosistema. La reducción de DBO que normalmente logra esa especie cesa temporalmente hasta que otras especies alcanzan una población adecuada para utilizar esa fuente de alimento, o la población original se recupera a medida que disminuyen las concentraciones de biocidas. [9]
Dilución
Los desechos que contienen concentraciones de DBO inusualmente bajas pueden no sostener la población de tratamiento secundario requerida para concentraciones normales de desechos. Es posible que la población reducida que sobreviva al evento de inanición no pueda utilizar completamente la DBO disponible cuando las cargas de desechos regresen a la normalidad. La dilución puede deberse a la adición de grandes volúmenes de agua relativamente no contaminada, como la escorrentía de aguas pluviales, a una alcantarilla combinada. Las plantas de tratamiento de aguas residuales más pequeñas pueden experimentar dilución debido a descargas de agua de enfriamiento, fugas importantes en las tuberías, extinción de incendios o drenaje de piscinas grandes.
Un problema similar ocurre cuando las concentraciones de DBO caen cuando el flujo bajo aumenta el tiempo de residencia de los desechos dentro del biorreactor de tratamiento secundario. Los ecosistemas de tratamiento secundario de las comunidades universitarias aclimatadas a las fluctuaciones de la carga de desechos de los ciclos de trabajo / sueño de los estudiantes pueden tener dificultades para sobrevivir a las vacaciones escolares. Los sistemas de tratamiento secundario acostumbrados a los ciclos de producción de rutina de las instalaciones industriales pueden tener dificultades para sobrevivir al cierre de la planta industrial. Las poblaciones de especies que se alimentan de los desechos entrantes disminuyen inicialmente a medida que disminuye la concentración de esas fuentes de alimentos. La disminución de la población continúa a medida que las poblaciones de depredadores de los ecosistemas compiten por una población en declive de organismos de nivel trófico inferior . [10]
Carga máxima de residuos
Las concentraciones altas de DBO inicialmente exceden la capacidad del ecosistema de tratamiento secundario para utilizar los alimentos disponibles. Las poblaciones del ecosistema de organismos aeróbicos aumentan hasta que se alcanzan las limitaciones de transferencia de oxígeno del biorreactor de tratamiento secundario. Las poblaciones de los ecosistemas de tratamiento secundario pueden cambiar hacia especies con menores requerimientos de oxígeno, pero el hecho de que esas especies no utilicen algunas fuentes de alimentos puede producir concentraciones más altas de DBO en los efluentes. Los aumentos más extremos en las concentraciones de DBO pueden reducir las concentraciones de oxígeno antes de que la población del ecosistema de tratamiento secundario pueda ajustarse y provocar una disminución abrupta de la población de especies importantes. La eficiencia normal de eliminación de DBO no se restablecerá hasta que las poblaciones de especies aeróbicas se recuperen después de que las concentraciones de oxígeno aumenten a la normalidad.
Diseño para control de daños
Las medidas que crean cargas uniformes de aguas residuales tienden a reducir la probabilidad de alteraciones. Los biorreactores de tratamiento secundario de crecimiento adherido o de película fija son similares a un modelo de reactor de flujo pistón que hace circular agua sobre superficies colonizadas por biopelículas , mientras que los biorreactores de crecimiento suspendido se asemejan a un reactor de tanque agitado continuo que mantiene suspendidos los microorganismos mientras se trata el agua. Los biorreactores de tratamiento secundario pueden ir seguidos de una separación de fases física para eliminar los sólidos biológicos del agua tratada. La duración alterada de los sistemas de tratamiento secundario de película fija puede ser más prolongada debido al tiempo necesario para recolonizar las superficies de tratamiento. Los ecosistemas de crecimiento suspendido se pueden restaurar a partir de un reservorio de población. Los sistemas de reciclaje de lodos activados proporcionan un depósito integrado si se detectan condiciones adversas a tiempo para tomar medidas correctivas. El reciclaje de lodos puede desactivarse temporalmente para evitar el lavado de lodos durante los caudales máximos de tormenta cuando la dilución mantiene bajas las concentraciones de DBO. Los sistemas de lodos activados por crecimiento suspendido se pueden operar en un espacio más pequeño que los sistemas de filtro percolador de película fija que tratan la misma cantidad de agua; pero los sistemas de película fija son más capaces de hacer frente a cambios drásticos en la cantidad de material biológico y pueden proporcionar mayores tasas de eliminación de material orgánico y sólidos suspendidos que los sistemas de crecimiento suspendidos. [11] : 11-13
Las variaciones del flujo de aguas residuales pueden reducirse limitando la recolección de aguas pluviales por el sistema de alcantarillado y requiriendo que las instalaciones industriales descarguen los desechos del proceso por lotes en el alcantarillado durante un intervalo de tiempo en lugar de inmediatamente después de su creación. La descarga de desechos industriales orgánicos apropiados puede programarse para sostener el ecosistema de tratamiento secundario durante períodos de bajo flujo de desechos residenciales. [12] Los sistemas de tratamiento de aguas residuales que experimentan fluctuaciones en la carga de desechos durante las vacaciones pueden proporcionar alimentos alternativos para mantener los ecosistemas de tratamiento secundario durante períodos de uso reducido. Las pequeñas instalaciones pueden preparar una solución de azúcares solubles. Otros pueden encontrar desechos agrícolas compatibles u ofrecer incentivos de eliminación a los bombeadores de tanques sépticos durante los períodos de bajo uso.
Tipos de proceso
Existe una gran cantidad de procesos de tratamiento secundario, consulte la Lista de tecnologías de tratamiento de aguas residuales . Los principales se explican a continuación.
Lechos filtrantes (lechos oxidantes)
En las plantas más antiguas y en las que reciben cargas variables, se utilizan lechos filtrantes percoladores donde el licor de aguas residuales sedimentado se extiende sobre la superficie de un lecho compuesto de coque (carbón carbonizado), astillas de piedra caliza o medios plásticos especialmente fabricados. Dichos medios deben tener grandes áreas de superficie para soportar las biopelículas que se forman. El licor se distribuye típicamente a través de brazos rociadores perforados. El licor distribuido se escurre por el lecho y se recoge en los desagües de la base. Estos drenajes también proporcionan una fuente de aire que se filtra a través de la cama, manteniéndola aeróbica. Se forman biopelículas de bacterias, protozoos y hongos en las superficies de los medios y se comen o reducen el contenido orgánico. [11] : 12 El filtro elimina un pequeño porcentaje de la materia orgánica suspendida, mientras que la mayor parte de la materia orgánica favorece la reproducción de microorganismos y el crecimiento celular a partir de la oxidación biológica y la nitrificación que tiene lugar en el filtro. Con esta oxidación aeróbica y nitrificación, los sólidos orgánicos se convierten en biopelículas que se alimentan de larvas de insectos, caracoles y gusanos que ayudan a mantener un grosor óptimo. La sobrecarga de los lechos puede aumentar el espesor de la biopelícula, lo que da lugar a condiciones anaeróbicas y una posible bioabsorción del medio filtrante y acumulación de agua en la superficie. [13]
Contactores biológicos rotativos
Los contactores biológicos rotativos (RBC) son sistemas mecánicos robustos de tratamiento secundario de película fija capaces de resistir picos de carga orgánica. Los RBC se instalaron por primera vez en Alemania en 1960 y desde entonces se han desarrollado y refinado hasta convertirlos en una unidad operativa fiable. Los discos giratorios apoyan el crecimiento de bacterias y microorganismos presentes en las aguas residuales, que descomponen y estabilizan los contaminantes orgánicos. Para tener éxito, los microorganismos necesitan tanto oxígeno para vivir como alimento para crecer. El oxígeno se obtiene de la atmósfera a medida que giran los discos. A medida que los microorganismos crecen, se acumulan en el medio hasta que se desprenden debido a las fuerzas de corte proporcionadas por los discos giratorios en las aguas residuales. El efluente de los glóbulos rojos se pasa luego a través de un clarificador secundario donde los sólidos biológicos desprendidos en suspensión sedimentan como un lodo. [14]
Lodo activado
El lodo activado es un método común de tratamiento secundario de crecimiento suspendido. Las plantas de lodos activados abarcan una variedad de mecanismos y procesos que utilizan oxígeno disuelto para promover el crecimiento de flóculos biológicos que eliminan sustancialmente el material orgánico. [11] : 12–13 El flóculo biológico es un ecosistema de biota viva que subsiste con los nutrientes del efluente del clarificador primario entrante. Estos sólidos disueltos, en su mayoría carbonosos, se someten a aireación para descomponerse y oxidarse biológicamente a dióxido de carbono o convertirse en flóculos biológicos adicionales de microorganismos reproductores. Los sólidos nitrogenados disueltos (aminoácidos, amoníaco , etc.) se convierten de manera similar en flóculos biológicos o se oxidan por el flóculo en nitritos , nitratos y, en algunos procesos, en nitrógeno gaseoso mediante desnitrificación . Si bien se fomenta la desnitrificación en algunos procesos de tratamiento, la desnitrificación a menudo impide la sedimentación del flóculo, lo que provoca un efluente de mala calidad en muchas plantas de aireación suspendidas. El desbordamiento de la cámara de mezcla de lodos activados se envía a un clarificador secundario donde el flóculo biológico suspendido se asienta mientras el agua tratada pasa a un tratamiento terciario o desinfección. El flóculo sedimentado se devuelve a la cubeta de mezcla para continuar creciendo en el efluente primario. Como la mayoría de los ecosistemas, los cambios de población entre la biota de lodos activados pueden reducir la eficiencia del tratamiento. La nocardia , una espuma marrón flotante que a veces se identifica erróneamente como hongo de aguas residuales , es el más conocido de muchos hongos y protistas diferentes que pueden sobrepoblar el flóculo y causar alteraciones en el proceso. Las concentraciones elevadas de desechos tóxicos, incluidos los pesticidas, los desechos industriales de chapado de metal o el pH extremo, pueden matar la biota de un ecosistema de reactor de lodo activado. [15]
Plantas de paquete y reactores de secuenciación por lotes
Un tipo de sistema que combina tratamiento secundario y sedimentación es el de lodos activados cíclicos (CASSBR) o reactor secuencial por lotes (SBR). Por lo general, el lodo activado se mezcla con las aguas residuales entrantes sin procesar, y luego se mezcla y se airea. El lodo sedimentado se escurre y se vuelve a airear antes de que una parte se devuelva a la cabecera. [dieciséis]
La desventaja del proceso CASSBR es que requiere un control preciso de sincronización, mezcla y aireación. Esta precisión se logra típicamente con controles de computadora vinculados a sensores. Un sistema tan complejo y frágil no es adecuado para lugares donde los controles pueden no ser confiables, estar mal mantenidos o donde el suministro de energía puede ser intermitente. Las plantas de paquete de aireación extendida utilizan depósitos separados para la aireación y la sedimentación, y son algo más grandes que las plantas de SBR con una sensibilidad de tiempo reducida. [17]
Las plantas de paquete pueden denominarse con carga alta o carga baja . Esto se refiere a la forma en que se procesa la carga biológica. En los sistemas de alta carga, la etapa biológica se presenta con una alta carga orgánica y el flóculo combinado y el material orgánico se oxigenan durante unas horas antes de volver a cargarse con una nueva carga. En el sistema de baja carga, la etapa biológica contiene una carga orgánica baja y se combina con floculado durante períodos más prolongados.
Biorreactores de membrana
Los biorreactores de membrana (MBR) son sistemas de lodos activados que utilizan un proceso de separación de fase líquido-sólido de membrana . El componente de la membrana utiliza membranas de microfiltración o ultrafiltración a baja presión y elimina la necesidad de un clarificador o filtración secundarios. Las membranas se sumergen típicamente en el tanque de aireación; sin embargo, algunas aplicaciones utilizan un tanque de membrana separado. Uno de los beneficios clave de un sistema MBR es que supera eficazmente las limitaciones asociadas con la mala sedimentación de lodos en los procesos convencionales de lodos activados (CAS). La tecnología permite el funcionamiento del biorreactor con una concentración de sólidos en suspensión de licor mixto (MLSS) considerablemente más alta que los sistemas CAS, que están limitados por la sedimentación de lodos. El proceso se opera típicamente en MLSS en el rango de 8.000 a 12.000 mg / L, mientras que los CAS se operan en el rango de 2.000 a 3.000 mg / L. La elevada concentración de biomasa en el proceso MBR permite una eliminación muy eficaz de materiales biodegradables solubles y particulados a tasas de carga más altas. De esta manera, el aumento de los tiempos de retención de lodos, que generalmente superan los 15 días, aseguran una nitrificación completa incluso en climas extremadamente fríos.
El costo de construir y operar un MBR es a menudo más alto que los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales. Los filtros de membrana se pueden cegar con grasa o desgastar con arena suspendida y carecen de la flexibilidad de un clarificador para pasar los flujos máximos. La tecnología se ha vuelto cada vez más popular para los flujos de desechos pretratados de manera confiable y ha ganado una aceptación más amplia donde la infiltración y el flujo de entrada se han controlado, sin embargo, y los costos del ciclo de vida han disminuido constantemente. El tamaño reducido de los sistemas MBR y el efluente de alta calidad producido los hacen particularmente útiles para aplicaciones de reutilización de agua. [18]
Granulación aeróbica
El lodo granular aeróbico se puede formar aplicando condiciones de proceso específicas que favorezcan a los organismos de crecimiento lento, como los PAO (organismos acumuladores de polifosfato) y los GAO (organismos acumuladores de glucógeno). Otra parte clave de la granulación es el desperdicio selectivo mediante el cual el lodo similar a un flóculo de sedimentación lenta se descarga como lodo residual y se retiene la biomasa de sedimentación más rápida. Este proceso se ha comercializado como proceso Nereda . [19]
Lagunas o estanques aireados en la superficie
Las lagunas aireadas son un método de tratamiento secundario de crecimiento suspendido de baja tecnología que utiliza aireadores motorizados que flotan en la superficie del agua para aumentar la transferencia de oxígeno atmosférico a la laguna y mezclar el contenido de la laguna. Los aireadores de superficie flotante suelen estar clasificados para suministrar una cantidad de aire equivalente a 1,8 a 2,7 kg O 2 / kW · h . Las lagunas aireadas proporcionan una mezcla menos eficaz que los sistemas convencionales de lodos activados y no alcanzan el mismo nivel de rendimiento. Las cuencas pueden tener una profundidad de 1,5 a 5,0 metros. Los lavabos con aireación superficial logran una eliminación del 80 al 90 por ciento de DBO con tiempos de retención de 1 a 10 días. [1] Muchos sistemas de alcantarillado municipales pequeños en los Estados Unidos (1 millón de galones / día o menos) usan lagunas aireadas. [20]
Humedales construidos
El efluente del clarificador primario se descargó directamente a los humedales naturales eutróficos durante décadas antes de que las regulaciones ambientales desalentaran la práctica. Cuando se dispone de tierra adecuada, se pueden construir estanques de estabilización con ecosistemas de humedales artificiales para realizar un tratamiento secundario separados de los humedales naturales que reciben aguas residuales tratadas de forma secundaria. Los humedales artificiales se parecen más a los sistemas de película fija que a los sistemas de crecimiento suspendido, porque la mezcla natural es mínima. El diseño de humedales construidos utiliza supuestos de flujo pistón para calcular el tiempo de residencia requerido para el tratamiento. Sin embargo, los patrones de crecimiento de la vegetación y la deposición de sólidos en los ecosistemas de humedales pueden crear vías de flujo preferenciales que pueden reducir el tiempo promedio de residencia. [21] La medición de la eficiencia del tratamiento de los humedales es complicada porque la mayoría de las mediciones tradicionales de la calidad del agua no pueden diferenciar entre los contaminantes de las aguas residuales y la productividad biológica del humedal. La demostración de la eficacia del tratamiento puede requerir análisis más costosos. [22]
Tecnologías emergentes
- Los filtros biológicos aireados (o anóxicos) (BAF) o los biofiltros combinan la filtración con la reducción biológica de carbono, la nitrificación o la desnitrificación. BAF generalmente incluye un reactor lleno de un medio filtrante . El medio está en suspensión o soportado por una capa de grava al pie del filtro. El doble propósito de este medio es soportar la biomasa altamente activa que se le adhiere y filtrar los sólidos en suspensión. La reducción de carbono y la conversión de amoníaco ocurren en modo aeróbico y en ocasiones se logra en un solo reactor, mientras que la conversión de nitratos ocurre en modo anóxico . BAF se opera en configuración de flujo ascendente o descendente según el diseño especificado por el fabricante. [23]
- Lodo activado de película fija integrado
- Los reactores de biofilm de lecho móvil generalmente requieren una huella más pequeña que los sistemas de crecimiento suspendido. [24]
Ver también
- Lista de tecnologías de tratamiento de aguas residuales
- Saneamiento
Fuentes
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- Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles; Federación de Control de la Contaminación del Agua (1959). Diseño de Planta de Tratamiento de Aguas Residuales . Nueva York: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles y Federación para el Control de la Contaminación del Agua.
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Referencias
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