El tratamiento de aguas residuales es un proceso esencial para la protección del medio ambiente y la salud pública, ya que permite la eliminación de contaminantes de origen doméstico e industrial antes de que sean descargados en cuerpos de agua o reutilizados para regar áreas verdes e incluso como agua potable (dependiendo de la fuente del agua residual). Para asegurar que el tratamiento sea efectivo, es necesario controlar y ajustar diversos parámetros operacionales. Estos parámetros incluyen factores físicos, químicos y biológicos que influyen directamente en los procesos de tratamiento y en la eficiencia del sistema que se esté utilizando para el tratamiento.
Parámetros Físicos
Temperatura
La temperatura es un factor crucial que afecta la velocidad de las reacciones químicas y biológicas durante el tratamiento de aguas residuales. En los procesos biológicos, como la digestión aerobia y anaerobia, la temperatura afecta el metabolismo de los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica, así como los productos de los productos del metabolismo de los microorganismos. Por ejemplo, temperaturas bajas pueden ralentizar significativamente la actividad microbiana, disminuyendo la eficiencia y eficacia del tratamiento. En cambio, temperaturas extremadamente altas pueden dañar a los microorganismos, disminuyendo la población de éstas o promover el crecimiento de microorganismos no deseados
Además, la temperatura influye en la solubilidad de los gases en el agua, como el oxígeno, que es esencial en los procesos aeróbicos. La temperatura ideal para la mayoría de los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales oscila entre 20°C y 35°C. Sin embargo, esta temperatura puede variar dependiendo del tipo de tratamiento y de los microorganismos involucrados.
Turbidez y Sólidos Suspendidos Totales (SST)
La turbidez y los sólidos suspendidos totales son indicadores de la cantidad de partículas en suspensión en el agua residual. Los SST incluyen tanto partículas orgánicas como inorgánicas, y su control es fundamental para asegurar la eficiencia de los procesos de clarificación y filtración. Altos niveles de SST pueden obstruir los sistemas de filtración y sedimentación por la generación de grandes cantidades de lodos haciendo difícil la eliminación de patógenos y otros contaminantes.
La reducción de los SST es uno de los objetivos principales de los procesos primarios de tratamiento, como la sedimentación. El control de la turbidez también es importante, ya que altos niveles de turbidez pueden proteger a los microorganismos patógenos de la desinfección con cloro o radiación ultravioleta (UV) en procesos como la potabilización, afectando la seguridad del agua tratada.
Potencial de Hidrógeno (pH)
El pH es un parámetro fundamental en el tratamiento de aguas residuales, ya que influye en la solubilidad de los compuestos químicos y en la actividad microbiana. La mayoría de los procesos biológicos, como la nitrificación y la digestión anaerobia, requieren un rango de pH específico para ser efectivos.
Un pH fuera de rango puede inhibir la actividad microbiana y afectar la eficiencia del tratamiento. Además, el pH puede influir en la precipitación de metales pesados y otros contaminantes, afectando su eliminación del agua residual, pudiendo contaminar ecosistemas por completo al momento del retorno a los cuerpos de agua. Por lo tanto, es esencial monitorear y ajustar el pH durante los procesos de tratamiento.
Parámetros Químicos
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Demanda Química de Oxígeno (DQO)
La DBO y la DQO son dos de los parámetros químicos más importantes en el tratamiento de aguas residuales. La DBO mide la cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos para degradar la materia orgánica presente en el agua en condiciones aeróbicas. Es un indicador de la carga orgánica de las aguas residuales y se utiliza para evaluar la eficacia de los procesos de tratamiento biológico. Una DBO elevada indica una alta carga de materia orgánica, lo que puede requerir un mayor tiempo de retención o una mayor cantidad de oxígeno para el tratamiento.
La DQO, por otro lado, mide la cantidad total de sustancias químicas oxidadas en el agua, incluyendo tanto la materia orgánica biodegradable como la no biodegradable. La DQO es un parámetro útil para evaluar la eficiencia de los procesos de tratamiento que involucran oxidación química.
Nutrientes: Nitrógeno y Fósforo
El nitrógeno y el fósforo son nutrientes esenciales para el crecimiento microbiano, pero su presencia en exceso en cuerpos de agua receptores puede causar eutrofización, un fenómeno que resulta en el crecimiento excesivo de algas y plantas acuáticas, afectando negativamente la calidad del agua y los ecosistemas acuáticos. En el tratamiento de aguas residuales, el control de los niveles de nitrógeno y fósforo es crucial para evitar estos efectos adversos.
El nitrógeno en las aguas residuales se encuentra en diferentes formas, incluyendo amoníaco (NH₃), nitritos (NO₂⁻) y nitratos (NO₃⁻). Los procesos de nitrificación y desnitrificación biológica se utilizan comúnmente para convertir el amoníaco en nitratos y luego reducir los nitratos a gas nitrógeno, eliminándolo del agua. El fósforo, por otro lado, se elimina mediante procesos químicos, como la precipitación con sales de hierro o aluminio, o biológicos, como el almacenamiento de fósforo por microorganismos acumuladores de fósforo.
Metales Pesados y Otros Contaminantes
Los metales pesados como el plomo, el mercurio, el cadmio, entre otros y los contaminantes emergentes, como los productos farmacéuticos y los microplásticos, representan un desafío creciente en el tratamiento de aguas residuales. La presencia de estos contaminantes puede afectar la salud humana y la vida acuática, y algunos pueden ser difíciles de eliminar con los métodos de tratamiento convencionales.
Los procesos avanzados, como la adsorción con carbón activado, la oxidación avanzada, y la filtración por membranas, se utilizan para la eliminación de metales pesados y contaminantes emergentes. Sin embargo, estos métodos a menudo requieren ajustes precisos de parámetros operacionales, como el tiempo de retención, el pH y la concentración de agentes oxidantes, así como, costos elevados de tratamiento.
Parámetros Biológicos
Microorganismos y Biomasa Activa
Los microorganismos juegan un papel central en los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales. La biomasa activa, que consiste en bacterias, hongos y otros microorganismos; es responsable de la degradación de la materia orgánica convirtiéndola en nutrientes. El control de la concentración de biomasa, el tiempo de retención celular (SRT, por sus siglas en inglés -Solid Retention Time-) y la edad del lodo son cruciales para mantener una actividad microbiana adecuada y asegurar la eficiencia del tratamiento.
Un SRT demasiado corto puede resultar en una biomasa insuficiente (inactiva) para degradar la materia orgánica, mientras que un SRT demasiado largo puede conducir a la acumulación de lodo envejecido y menos activo. El monitoreo y ajuste de estos parámetros es esencial para optimizar los procesos de tratamiento, como los lodos activados, los sistemas de biorreactores de membrana (MBR) y los filtros de aguas residuales.
Tasa de Transferencia de Oxígeno (OTR)
La OTR es un parámetro crítico en los procesos de tratamiento aeróbico, donde el oxígeno es necesario para el metabolismo microbiano. La eficiencia de la transferencia de oxígeno depende de factores como la temperatura, la concentración de oxígeno disuelto, la configuración del sistema de aireación y el tipo de difusores utilizados. Una OTR inadecuada puede limitar la actividad microbiana y reducir la eficiencia del tratamiento.
La optimización de la transferencia de oxígeno puede implicar el ajuste de la velocidad de aireación, la selección de difusores de burbuja fina, o la implementación de tecnologías avanzadas de aireación.
Monitoreo y Control de Parámetros Operacionales
El monitoreo continuo de los parámetros operacionales es esencial para asegurar la eficiencia y la estabilidad de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Tecnologías como los sensores en línea, los sistemas de control automático y las plataformas de gestión de datos ayudan a los operadores a identificar rápidamente las desviaciones de los parámetros deseados y a tomar medidas correctivas.
Por ejemplo, el monitoreo en línea del pH, la DBO, la DQO, y el oxígeno disuelto permite ajustar los procesos de aireación y dosificación de químicos en tiempo real. Los sistemas de control basados en inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático también están ganando popularidad en la optimización de los procesos de tratamiento, ofreciendo recomendaciones basadas en datos históricos y análisis predictivos.
