TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMICILIARIAS, MUNICIPALES Y/O INDUSTRIALES.

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1 TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMICILIARIAS, MUNICIPALES Y/O INDUSTRIALES. Dr. Alejandro Mariñelarena Investigador de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Pcia. de Bs. As. INTRODUCCION. El tratamiento de las aguas servidas, tanto domiciliarias como industriales, es una condición ineludible para poder alcanzar un uso racional y sostenible de los recursos acuáticos superficiales y subterráneos, garantizar la condiciones mínimas de salud de la población, y mantener la calidad y biodiversidad de la vida silvestre en los ecosistemas naturales. Muchas iniciativas a nivel mundial muestran la preocupación que despierta la disponibilidad actual y futura de fuentes de agua de buena calidad. Esta necesidad de preservar las fuentes de agua limpia, sumada a la de favorecer el ahorro de energía y disminuir los costos constructivos y operativos, tanto de las redes de alcantarillado como de las plantas de tratamiento, ha enfrentado a la ingeniería sanitaria con el desafío de desarrollar tecnologías de tratamiento descentralizadas y eficientes, que permitan satisfacer las demandas de núcleos habitacionales aislados y pequeñas urbanizaciones, evitando el incremento desmedido de las instalaciones de las grandes ciudades. En esta búsqueda se han revalorizado, desarrollado, y perfeccionado las tecnologías no convencionales o naturales que, en zonas climáticas adecuadas y con disponibilidad de terreno suficiente, permiten obtener mejores resultados con menores costos de construcción, operación y mantenimiento. Las concentraciones urbanas y la actividad industrial generan grandes cantidades de desechos. Por su naturaleza soluble o finamente particulada, muchos de estos residuos son vehiculizados mediante efluentes líquidos. Invariablemente, estos efluentes son volcados en cuerpos de agua receptores (mares, ríos, lagos). Los efluentes domésticos (baños, cocinas) y los de las industrias que utilizan insumos animales o vegetales en sus procesos productivos, contienen altas concentraciones de materia orgánica. Cuando un curso de agua recibe un aporte de este tipo, los organismos con capacidad de utilizar el nuevo recurso energético proliferan activamente alterando el equilibrio de la comunidad preexistente. La actividad metabólica modifica las condiciones físico-químicas del ambiente y se establece una comunidad diferente, que se adapta a las nuevas condiciones. Aguas abajo del vuelco, se puede identificar una sucesión de condiciones físico-químicas y de comunidades representativas, hasta que los materiales orgánicos se mineralizan, sus elementos constitutivos son metabolizados y las condiciones originales se recuperan. Este ciclo es conocido como la capacidad autodepuradora de los ambientes naturales. Los sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales utilizan las comunidades naturales que intervienen en los procesos de mineralización,

2 confinándolas en ambientes artificiales, diseñados con una estructura y tamaño adecuados para los residuos a tratar. A partir de estos conceptos, la ingeniería sanitaria ha desarrollado un sinnúmero de sistemas que utilizan diversas comunidades naturales, para lograr procesos más eficientes y reducir el espacio utilizado en los tratamientos. Los tratamientos biológicos se han practicado desde principios del siglo XX, especialmente para la depuración de aguas servidas domésticas, con el objetivo de eliminar los riesgos de diseminación de patógenos entéricos de transmisión hídrica y evitar la polución de los cuerpos de agua receptores. Los sistemas de tratamiento se intercalan entre la fuente de generación de efluentes y el cuerpo de agua receptor, evitando el deterioro de este último. Los microorganismos pueden mineralizar cualquier compuesto orgánico natural con mayor o menor dificultad. Incluso muchos compuestos orgánicos sintéticos, elaborados industrialmente, son susceptibles de metabolismo microbiano. La biodegradación puede utilizar vías metabólicas oxidativas o fermentativas. El metabolismo anaeróbico es más lento e ineficiente. La mineralización de la materia orgánica se hace a través de una secuencia de hidrólisis y fermentaciones ácidas, cuyos productos son muy variados, producen olores desagradables y en algunos casos son tóxicos. La etapa final es la fermentación metánica a partir de acetato e hidrógeno (acetoclástica), en que el carbono orgánico se libera como metano y dióxido de carbono, llegando así a una verdadera mineralización. Para definir si un residuo puede tratarse biológicamente con una eficiencia razonable, se deben realizar ensayos de tratabilidad en el laboratorio. Un ensayo simple es la comparación entre la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) del efluente.. PRETRATAMIENTO DE EFLUENTES LIQUIDOS. Los efluentes líquidos son soluciones y/o suspensiones acuosas muy heterogéneas. Cuando su contenido de materiales biodegradables justifica un tratamiento biológico, el líquido crudo debe ser acondicionado por medio de procesos físicos y/o químicos (pretratamientos), antes de llegar a la etapa biológica propiamente dicha. Los pretratamientos más comúnmente usados son desbaste (retención de elementos gruesos por medio de rejas), desarenado, desengrasado, coagulación, floculación, neutralización y sedimentación. Todos estos procesos tienden a separar parte del contenido y acondicionar los efluentes, dejando el material soluble o muy finamente particulado en forma adecuada para el ataque biológico de los microorganismos. La necesidad de uno o más pretratamientos se define de acuerdo a las características del líquido a tratar y para cada uno se diseñan estructuras apropiadas. TRATAMIENTOS BIOLOGICOS. Los tratamientos biológicos de líquidos residuales más comúnmente usados (convencionales), son los compactos entre los que se pueden mencionar los

3 sistemas de biomasa dispersa (lodos activados) y los de biomasa fija (lechos percoladores). Los tratamientos extensivos más comunes son las lagunas de estabilización. METODOS COMPACTOS. Compactos: son aquellos en que se concentra el proceso biológico en un reactor del menor tamaño posible para optimizar el espacio y que requieren de un subsidio energético importante en forma de bombeo, agitación y aireación. Estos sistemas requieren un pretratamiento eficiente Sedimentación primaria. Los sedimentadores primarios se diseñan con tiempos de retención de 90 a 120 minutos si se utilizan como único tratamiento y de 30 a 60 minutos, si a continuación se hace tratamiento biológico. Tratamientos con biomasa suspendida Lodos activados. Los primeros tratamientos datan de El líquido que sale del sedimentador primario ingresa al reactor (pileta de aireación) donde es aireado y agitado. Allí se desarrolla y selecciona una flora bacteriana aeróbica que utiliza la materia orgánica del efluente como nutriente y el oxígeno disuelto como aceptor de electrones. El sistema de aireación (difusores de fondo o aireadores mecánicos superficiales), además de introducir oxígeno, asegura una mezcla completa de la biomasa con el efluente. El líquido dentro del reactor se denomina licor mixto. El licor que sale del reactor pasa a un sedimentador secundario o clarificador donde la biomasa bacteriana suspendida, flocula y sedimenta, dejando un efluente claro. En un reactor con funcionamiento estable, la comunidad bacteriana aerobia, está acompañada por protozoos (flagelados y ciliados) que consumen grandes cantidades de bacterias y por rotíferos que consumen partículas mayores (ciliados y aglomerados bacterianos). Otros métodos de tratamiento con biomasa suspendida son: Reactores en batch secuenciales (SBRs). El reactor se llena con el efluente, se airea y se agita durante la etapa de tratamiento, luego se deja reposar para sedimentar el lodo (biomasa), se retira el líquido tratado por una salida lateral, se purga parte del lodo por el fondo y luego se vuelve a cargar. Los sistemas constan de varios reactores que funcionan en forma paralela. Lagunas aireadas. Son cavas limitadas por terraplenes y provistas con aireadores mecánicos con el objetivo de mezclar y airear el líquido a tratar..las lagunas aireadas son seguidas por lagunas facultativas, y por lagunas aeróbicas Zanjas de oxidación. Son canales cerrados, de forma oval, con un dispositivo de agitación y aireación superficial (paletas), que hace circular el líquido y le incorpora aire Tratamientos con biomasa fija

4 Lechos percoladores. Las primeras experiencias se realizaron en El reactor consiste en un depósito cilíndrico relleno con un material de alta superficie específica que pueden ser piedras de 5 a 10 cm de diámetro o de una matriz plástica. El líquido se dispersa en la parte superior mediante un distribuidor giratorio. Separado en gotas, cae bañando la superficie del relleno, donde se desarrolla una compleja comunidad de bacterias, protozoos, hongos y algas, incluida en una masa gelatinosa de polisacáridos (biofilm o biocapa). Otra forma de proceso con biomasa fija son: Contactores biológicos rotativos (RBCs). Son discos plásticos montados sobre un eje horizontal giratorio, sumergidos hasta la mitad dentro de una batea por donde circulan los efluentes. El eje gira lentamente. Lodos primarios y secundarios. Los sistemas de tratamiento compactos generan lodos tanto en la sedimentación primaria (lodos crudos), como en la clarificación (lodos orgánicos o biosólidos). Los primeros contienen materia orgánica sin digerir, minerales y pueden contener tóxicos adsorbidos o complejados en el precipitado. Los biosólidos están constituidos casi exclusivamente de biomasa bacteriana. Previo a su disposición final, deben ser estabilizados con cal, por digestión biológica (aerobia o anaerobia) o por algún proceso físico (deshidratadosecado o incinerado). Reactores anaerobios. desarrollados en base a la capacidad de los microorganismos de crecer en macrocolonias (gránulos) o sobre soportes inertes. En los reactores UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Bed) y EGSB (Expanded Granular Sludge Bed),. METODOS MODERNOS. Los métodos de tratamiento biológico más utilizados, especialmente en los países desarrollados, son los compactos. A mediados de la década del '70 se comenzaron a evidenciar una serie de inconvenientes en el uso de estos métodos. Los altos costos energéticos de operación fueron seriamente cuestionados durante la crisis del petróleo de La construcción y operación de este tipo de plantas convencionales para poblaciones pequeñas o dispersas, deben ser subvencionadas por el estado, ya que no se pueden financiar con la tasa por servicio pagada por los beneficiarios. Estos sistemas no degradan muchos tóxicos, ni extraen metales pesados, los que permanecen en los lodos. Las grandes cantidades de lodos producidos, que requieren posterior tratamiento, encarecen la operación. Su disposición final, aún después de tratados, genera problemas de contaminación de acuíferos. Las legislaciones tendientes a abatir la eutrofización de los ambientes acuáticos naturales, comenzaron a exigir la incorporación de plantas de tratamiento terciario. Los métodos químicos disponibles implican alto costo operativo y producción de lodos ricos en nutrientes.

5 Todo ello generó un movimiento tendiente al desarrollo de nuevas metodologías de tratamiento, basadas en un conocimiento más profundo del funcionamiento de los sistemas naturales y en conceptos tales como la transformación de los residuos en productos utilizables (proteínas, fertilizantes), el reuso del agua y la generación de energías no convencionales. METODOS NATURALES EXTENSIVOS. Extensivos o naturales: son aquellos en que los procesos biológicos son realizados por poblaciones no concentradas, en un espacio mayor, sin restricción y con mucho menor subsidio energético. La tendencia actual es a descentralizar los tratamientos y a tratar in situ los residuos de cada lugar. De acuerdo al tamaño de los efluentes se utilizan distintas modalidades. Para pequeños pueblos con red colectora se construyen lagunas de estabilización seguidas por humedales artificiales; para establecimientos aislados (campings, hoteles, escuelas) se instalan cámaras sépticas y humedales; y para una o varias viviendas unifamiliares se emplean cámaras sépticas y terrenos de infiltración. Lagunas de estabilización. Las lagunas de estabilización son cavas realizadas en la tierra, limitadas por terraplenes. Las aguas residuales se vuelcan con un pretratamiento de desbaste. La relación entre el caudal de efluentes y el volumen del sistema define el tiempo de residencia hidráulico. Las lagunas se clasifican en anaeróbicas, facultativas o aeróbicas. Las lagunas anaeróbicas son profundas (tres, cuatro o más metros), y se utilizan para tratar efluentes con alta carga orgánica. Las lagunas facultativas (entre uno y dos metros), presentan un estrato superficial iluminado, donde domina la fotosíntesis algal, que produce oxígeno para el metabolismo oxidativo de las bacterias y un estrato profundo oscuro con metabolismo anaeróbico. Estas condiciones dependen de un delicado equilibrio entre la producción y el consumo de oxígeno. Las lagunas aeróbicas son playas (menos de un metro), con dominancia de un metabolismo aeróbico fotosintético en toda su profundidad. Más allá de las dimensiones, el metabolismo que presenten durante su funcionamiento, dependerá de la carga orgánica que se aplique por unidad de área y de la temperatura del líquido. Tratamiento y disposición en el terreno. Estos métodos extensivos consisten en distribuir el líquido sobre o dentro del terreno. Las partículas del suelo natural actúa como filtro físico de los materiales suspendidos, y la flora microbiana metaboliza los compuestos orgánicos disueltos, liberando nutrientes que sirven como fertilizantes a la vegetación. Para la aplicación de estas técnicas se debe considerar la permeabilidad del terreno, la profundidad de la capa freática y la calidad del efluente, para definir la cantidad aplicable por unidad de área y tiempo. Se utilizan diferentes técnicas según las características del suelo y los objetivos secundarios del tratamiento.

6 Riego: tiene como objetivo la producción vegetal asociada al tratamiento. Se utiliza en suelos con permeabilidad media y los efluentes se dosifican en las cantidades adecuadas para el crecimiento vegetal. Tiene el inconveniente de que el efluente debe rociarse (aspersión) por lo que los líquidos deben ser pretratados y desinfectados. Infiltración rápida: se utiliza en suelos muy drenados. Se aplica la mayor cantidad de líquido por unidad de área, aprovechando la capacidad filtrante del suelo para el tratamiento y el agua como fuente de recarga de acuíferos. Escorrentía superficial: se utiliza en suelos muy impermeables. Se riega en la parte más alta del terreno, se deja correr el líquido por la superficie y se recoge en la parte baja en una zanja perpendicular a la pendiente. El tratamiento lo hace la flora microbiana que crece sobre la vegetación terrestre que bañan los líquidos a su paso. Infiltración in situ: se utiliza para el tratamiento de instalaciones pequeñas (escuelas, hosterías, viviendas) en zonas rurales o suburbanas. Los líquidos pasan por una cámara séptica y luego se vuelcan en un terreno de infiltración, consistente en una red de caños perforados que se disponen en zanjas rellenas de material poroso. Los caños, una vez ubicados y nivelados, son cubiertos con tierra. El sistema se alimenta por pulsos. Los líquidos son filtrados por el terreno y se incorporan ya purificados a los acuíferos subterráneos. Humedales artificiales (Wetlands). Los humedales son reconocidos como los ecosistemas acuáticos más productivos del planeta. Desde mediados de los años '50 se experimentaron para el tratamiento de algunos contaminantes específicos. Los tratamientos en humedales construidos consisten en hacer circular el efluente por zanjas o cavas, donde se favorece el crecimiento de vegetación acuática flotante o arraigada, sumergida o emergente. Sistemas con plantas flotantes: se utilizan lagunas o cavas donde crecen plantas acuáticas como camalotes (Eichhornia crassipes) o lentejas de agua (Lemna spp). Las plantas absorben la luz evitando el desarrollo de algas en el agua. La flora bacteriana que mineraliza los residuos orgánicos crece sobre las raíces de la vegetación, que cuelga en la masa de agua. Estos sistemas requieren cosechas periódicas por la gran productividad vegetal. La biomasa cosechada se puede utilizar para forraje, compostaje o producción de biogas. Sistemas de flujo superficial: se utilizan zanjas largas y angostas, sembradas con vegetación palustre (juncos, totoras), por donde circula el agua a un ritmo muy lento. Tienen buena capacidad para retener sólidos, degradar carbono orgánico y eliminar nitrógeno por procesos microbianos de nitrificación desnitrificación. Se usan como pulido de efluentes de otros tratamientos. En zonas rurales adquieren valor estético ya que se convierten en sitios de atracción y nidación de aves silvestres. Sistemas de flujo subsuperficial: también llamados sistemas radiculares o fitoterrestres. Consisten en cavas poco profundas (50 cm), rellenas con grava fina y sembradas con plantas acuáticas (juncos, carrizos o totoras). El líquido se distribuye en un extremo de la cubeta, fluye entre la grava sin aflorar en la superficie y sale por el otro extremo a través de un caño colector de fondo. Los contaminantes son degradados por la biomasa que se desarrolla sobre

7 las partículas del relleno y las raíces de las plantas. Los elementos que se mineralizan nutren a las plantas y éstas bombean oxígeno a sus raíces favoreciendo el metabolismo bacteriano. Al no tener contacto con la atmósfera no se produce emisión de olores ni proliferación de mosquitos. Son muy eficientes en retención de sólidos y carbono orgánico. Se utilizan en asentamientos aislados (hoteles, campings, escuelas) sin acceso a redes cloacales.