Depuración y potabilización del agua

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1 ÁMBITO FARMACÉUTICO Documento descargado de el 08/02/2017. Copia para uso personal, se prohíbe la transmisión de este documento por cualquier medio o formato. Depuración y potabilización del agua JAVIER DOMÉNECH Farmacéutico. Diplomado en Ingeniería y Gestión Medioambiental. Especialista en Tecnología Ambiental. Estación depuradora de aguas residuales (EDAR) de tratamiento biológico de fangos activados. El tratamiento de las aguas es un concepto ligado de antiguo a la profesión farmacéutica. No obstante, la confusión de términos y conceptos sobre la depuración y la potabilización son en exceso frecuentes entre el colectivo farmacéutico. El presente trabajo pretende facilitar al farmacéutico la identificación de dos procesos que mantienen algunos aspectos comunes y grandes diferencias. En la actualidad, el profesional sanitario tiende a confundir dos conceptos básicos de definición completamente diferentes: «depuración» frente a «potabilización». Si desde el punto de vista de la ingeniería una planta de depuración es técnica e instrumentalmente distinta de una de potabilización, desde el punto de vista estrictamente sanitario la similitud entre ambos conceptos es realmente pequeña: la depuración de agua se refiere al tratamiento o adecuación del agua residual previo a su vertido a cauce, mientras que la potabilización es el conjunto de procesos que hacen que el agua sea sanitariamente aceptable para su consumo humano. Esta diferencia expuesta de un modo sencillo implica; no obstante, una aprehensión de conocimientos algo más complejos, algunos próximos a la ingeniería sanitaria que es preciso conocer, aunque no en este momento, no pretende ser este artículo un dictado de procesos y sistemas de depuración y potabilización, sino más bien un conjunto de ideas para que el farmacéutico disponga de unas nociones mínimas que le permitan profundizar en un campo de gran importancia sanitaria. Antecedentes La historia de la depuración y la potabilización no es, como cabría pensar, una relación de encuentros o de caminos paralelos, más bien al contrario su disociación empieza al principio de la aparición del hombre, pues mientras éste siempre ha tenido cierta preocupación en procurarse agua fresca y clara, no ha puesto el mismo celo ni empeño en eliminar sus desechos conforme a una conducta ecológica. Es sabido, por la espectacularidad de sus obras de ingeniería civil, que los romanos ya disponían 110 OFFARM VOL 22 NÚM 8 SEPTIEMBRE 2003

2 en muchas de sus urbes de fabulosos sistemas de saneamiento que, en algunos lugares se siguen conservando y en otros todavía están en uso. Naturalmente, consistían sólo en eso, en una red de alcantarillas que estaba destinada en principio a recoger y eliminar las aguas pluviales y que en la práctica evacuaban toda la podredumbre de las ciudades directamente a los ríos, sin tratamiento ninguno. No ocurría lo mismo con el agua de consumo que se captaba de ríos o manantiales limpios y se transportaban mediante largas conducciones o se construían embalses para el aprovisionamiento de agua de calidad. En esta preocupación por el abastecimiento del preciado líquido fueron los romanos los primeros en utilizar tuberías de plomo para la conducción de agua potable, además de las más usuales de terracota o piedra. Las investigaciones de Robert Koch en 1881, en las que descubre las propiedades destructivas del cloro respecto a las bacterias, marcan el mayor hito en el tratamiento de las aguas Estación potabilizadora de tratamiento de agua potable (ETAP), con el decantador de vertedero radial típico en primer término. Así mientras la coagulación y la filtración son utilizados como tratamiento para el agua de consumo desde hace años, los primeros experimentos de técnicas de depuración en occidente se desarrollan en Inglaterra en el siglo XIX (hacía ya algunos siglos que los orientales utilizaban sistemas de estanques para tratar sus aguas residuales y además, criar peces en ellos). Las investigaciones de Robert Koch en 1881, en las que descubre las propiedades destructivas del cloro respecto a las bacterias, marcan el mayor hito en el tratamiento de las aguas: es en Londres, en 1905, cuando se introduce el cloro como desinfectante tras un brote de fiebre tifoidea. En estos mismos años de principios de siglo, en el naciente estado norteamericano se comenzaba a generalizar en las grandes urbes la aplicación de tratamientos complejos municipales para el abastecimiento de la población. Desde entonces, se ha recorrido un largo camino y aunque los procesos para tratar el agua siguen siendo los mismos (decantación, filtración, coagulación), las técnicas han cambiado considerablemente y casi se podría afirmar que se puede purificar el agua has- Tabla 1. Unidades de un proceso tipo de depuración y su función (línea de agua) En el Medioevo, los únicos que tenían cierta misericordia con la salud de los cuerpos, además de las de las almas, eran los clérigos de las órdenes religiosas y, dentro de éstas, fundamentalmente los benedictinos, cuyos monasterios construían siempre a la vera de ríos o manantiales, pero mientras para el agua de uso personal no escatimaban en la traída de aguas de sitios distantes hasta varios kilómetros, la evacuación de las letrinas se realizaba directamente sobre el cauce en el que se asentaba la abadía o monasterio. Proceso Objeto Desbaste Eliminación de objetos voluminosos y sólidos de tamaño medio o grande Desarenado-desengrasado Eliminación de material inorgánico (arenas y arcillas) por sedimentación y grasas, emulsiones y objetos flotantes de pequeño tamaño (colillas, envoltorios de caramelos, restos de preservativos) que atraviesen el sistema de desbaste Decantación primaria Sedimentación por gravedad de sólidos en suspensión Disminución de parte de la contaminación orgánica Tratamiento biológico Reducción de contaminación orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) Decantación secundaria Sedimentación de flóculos (lodo o fango) generados en el tratamiento biológico Retroalimentación de microorganismos al tratamiento biológico mediante la recirculación de fango activado Canal de cloración Desinfección del efluente en caso de epidemias VOL 22 NÚM 8 SEPTIEMBRE 2003 OFFARM 111

3 Elevación Tamizado (3-6 mm) Decantación primaria Reactor biológico Recirculación de fangos Decantación secundaria Pozo de gruesos Desbaste grueso (30 mm) Desarenado desengrase Aire Fangos en exceso Desinfección Espesamiento por gravedad Digestión anaerobia Espesamiento por flotación Secado de fangos Fig. 1. Esquema sinóptico de una estación depuradora «tipo», constituida por un pretratamiento, tratamiento primario y tratamiento biológico secundario convencional. La parte inferior sustituye la línea de fangos. ta el extremo, existiendo únicamente el límite del coste económico que podría suponer. Así en pleno ocaso del siglo XX, mientras el agua potable en nuestro país llegaba a más del 90% de la población, hasta bien entrada la última década, no se puede hablar en España de una generalización en el empleo de sistemas de depuración y de los que había en los años ochenta, más del 70% no funcionaba o lo hacía en malas condiciones. Agua residual y agua para consumo humano Una diferencia de Perogrullo, pero que ayuda a retener el concepto básico de la diferencia entre agua residual y de consumo humano, depuración y potabilización, es su origen, la infraestructura utilizada para el transporte del fluido y su destino. El agua residual es producto de la actividad humana, por tanto es «recogida» por un entramado de tuberías y alcantarillas, denominadas de «saneamiento», y transportada a una estación depuradora de aguas residuales (EDAR), donde es tratada en función de la capacidad de la planta para posteriormente ser vertida a un medio receptor (río, lago, embalse, mar) (fig. 1). Hasta bien entrada la última década, no se puede hablar en España de una generalización en el empleo de sistemas de depuración El agua para consumo humano es «captada» de un medio hídrico (río, embalse, agua subterránea), transportada a una estación de tratamiento de agua potable (ETAP) y distribuida a los consumidores finales por medio de conducciones de «abastecimiento». Una infraestructura básica de las aguas potables y de capital importancia sanitaria son los «depósitos», instalaciones siempre cerradas para la acumulación de agua ya tratada y por tanto potable, que pueden estar anexas a la ETAP o situadas en lugares estratégicos por cota (altura) con respecto a los usuarios a fin de realizar la distribución por gravedad. Capítulo aparte merece un aspecto tan de ingeniería como el material utilizado en las conducciones de un tipo y otro de aguas. Por fin, este aspecto, de enorme importancia sanitaria, es recogido por la nueva reglamentación para el agua de consumo humano (RD 140/2003). Como información básica a tener en cuenta es preciso indicar que desde hace ya algún tiempo está desautorizada la utilización de PVC y plomo en sistemas de abastecimiento, siendo utilizado mayoritariamente en nuestro país el polietileno. No deja de ser una curiosidad para un sanitario, el elenco de materiales utilizados en las instalaciones de potabilización: acero galvanizado, acero al carbono con imprimación de pinturas epoxi (de uso alimentario, 112 OFFARM VOL 22 NÚM 8 SEPTIEMBRE 2003

4 naturalmente), acero inoxidable (el material más caro, pero de mayor garantía sanitaria) o polietileno. Los materiales utilizados en agua residual no están reglamentados actualmente y el material utilizado varía desde los plásticos (PVC o polietileno) y hormigón de distintos tipos hasta las distintas gamas de hierros y aceros. La importancia del material es grande por varios motivos: el primero de ellos y más obvio es que todos los materiales, con el paso del tiempo, acaban desprendiendo partículas que van a parar al agua y que pueden tener efectos adversos sobre la salud (el caso del plomo es el exponente más claro). Otra causa de peso son las propias características físicas del material (textura, rugosidad) que permiten con mayor o menor dificultad asentamientos bacterianos indeseables durante la red de distribución que son posteriormente causantes de efectos sobre la salud de las personas. Existen además otros motivos no menos importantes como son el posible ataque del agua al material de conducción originando la descomposición de éste, como la corrosión en los materiales ferrosos o la permeabilidad a determinados compuestos orgánicos de las tuberías plásticas que pueden provocar la contaminación del agua circulante por el interior. Por último, el fin que se persigue con la depuración y potabilización tiene aspectos comunes, como es garantizar unas medidas mínimas de salud pública, pero destinos diferentes: la depuración (y por tanto el agua residual, tratada o no) tiene como destino final el medio natural estricto (cauces de ríos, lagos, mares), mientras que la potabilización (y el agua potable) tiene como destino o, para mejor decir, como usuario, el medio humano. tengan la misma función: eliminar la carga contaminante del agua. El cómo lo hacen y sobre todo, hasta dónde es, no cabe duda que es materia de interés para un sanitario. Naturalmente y aunque sea preciso recalcar lo obvio, una depuradora trata agua de desecho, con una La calidad del agua tratada viene impuesta por la confederación hidrográfica correspondiente o el organismo competente de la comunidad autónoma carga contaminante elevada, mientras que el agua captada por una potabilizadora suele ser agua con poca carga orgánica y condiciones microbiológicas aceptables. Tal es así que la mayor parte de las aguas tratadas por una depuradora no serían aptas para servir de fuente de captación para una potabilizadora. Esto es desde hace algunos años materia de estudio en Estados Unidos, donde se intenta realizar el ciclo completo depuración-potabilización con dispares resultados. Definiendo las diferencias, los objetivos que persigue toda estación depuradora (o regeneradora como se denominan pomposamente en la actualidad) son fundamentalmente la eliminación de sólidos (en suspensión, flotantes, gruesos o finos), la estabilización o degradación de la materia orgánica, la reducción de patógenos y, en algunos casos en instalaciones más complejas, la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) o metales traza. Se debe tener presente siempre que una EDAR no tiene como fin adecuar un agua para su uso humano, sino para no perturbar la calidad inicial de un cauce, por lo que los parámetros microbiológicos del agua tratada por la instalación nunca se tienen en cuenta para medir su rendimiento. La calidad del agua tratada viene impuesta por la confederación hidrográfica correspondiente o el organismo competente de la comunidad autónoma y se adecua generalmente a la calidad del cauce receptor. Las estaciones de tratamiento de agua potable tienen como objetivo Depuradoras y potabilizadoras De lo dicho anteriormente parece evidente que estos términos definen conceptos diferentes puesto que los objetivos que persigue una y otra instalación son absolutamente distintos pese a que ambas Estación depuradora basada en el sistema de lagunaje, que dentro de los sistemas «blandos» de depuración es uno de los más extendidos en España. 114 OFFARM VOL 22 NÚM 8 SEPTIEMBRE 2003

5 prioritario y obligación, cumplir con los valores de los parámetros indicados en la reglamentación de agua para consumo humano durante todo el funcionamiento de la planta. Del análisis de lo anterior se deduce que las consecuencias de un incumplimiento de los objetivos de ambas instalaciones es diferente: mientras que en una planta depuradora generalmente sólo causa problemas de tipo ecológico, un mal funcionamiento de una ETAP provoca un problema de salud pública. Ello no excluye que el vertido incontrolado de una EDAR en una determinada zona tenga asimismo, como final, un problema para la salud de la comunidad. Procesos de depuración TRATAMIENTO FUTURO DEL AGUA La reutilización de las aguas residuales depuradas y la aparición de nuevas enfermedades emergentes relacionadas con el agua potable han marcado un nuevo camino en los sistemas de tratamiento, en los que se hace necesario la aplicación de procesos terciarios o de afino en todas las instalaciones. A principios de la década de los noventa se empezaron a utilizar con resultados satisfactorios los procesos de ósmosis inversa en el tratamiento de agua potable, así como en la «fabricación» de agua potable a partir de agua de mar. Actualmente, el gran avance que ha supuesto el desarrollo de materiales y técnicas de membrana, ha hecho posible que la microfiltración con membranas capilares o de PVDF sea un sistema que garantiza un agua potable de excelente calidad y se comience a estudiar su aplicación a las aguas residuales. Lo que parece claro es que, en los próximos años, la fisionomía de las actuales instalaciones y tratamientos va a cambiar notablemente. Ello posiblemente traiga consigo un aumento de la calidad de las aguas y una disminución de las enfermedades de transmisión hídrica todavía muy frecuentes en los países desarrollados. Existe un enorme abanico de sistemas para la depuración de aguas residuales según sus características, su cantidad, los recursos económicos disponibles, su entorno o las exigencias de calidad de vertido impuestas. Básicamente, existen dos formas de depurar el agua residual: una, por procesos fisicoquímicos y otra, por procesos biológicos. Por lo común, las aguas residuales industriales suelen tratarse por los primeros y las aguas «domésticas» o urbanas por los segundos, si bien las depuradoras de proceso biológico es frecuente que dispongan de elementos de proceso físicos y químicos. Las aguas residuales urbanas, las que producen las grandes localidades o los pequeños núcleos rurales son tratadas fundamentalmente por procesos biológicos. Éstos no son más que una tecnificación de los procesos de autodepuración que se desarrollan de manera natural en los cauces de agua y que implican una aceleración de estos procesos en poco terreno. En los próximos años, la fisionomía de las actuales instalaciones y tratamientos va a cambiar notablemente El camino del agua residual La variabilidad de los tipos de depuración biológica existentes y su complejidad no hacen posible su conocimiento, siquiera somero, en el presente artículo, pero sí en cambio conocer el funcionamiento de una depuradora «tipo» siguiendo el mismo camino que sigue el agua residual dentro de esta instalación, es decir conociendo su anatomía. El agua residual, conviene indicarlo, que entra en una EDAR contiene «casi de todo». No obstante, además de elementos casi inverosímiles que pueden llegar a una EDAR (electrodomésticos, cadáveres de animales, cacerolas), la carga contaminante que transporta en su seno el agua «bruta» es una mezcla de compuestos orgánicos, inorgánicos, metálicos, sólidos de muy pequeño tamaño, microorganismos de todas clases y un largo etcétera. Lo primero que encuentra el agua residual a la entrada de una EDAR es un conjunto de rejas y/o tamices que constituyen el proceso de desbaste y que tiene como fin retirar todos los sólidos de mediano y gran tamaño. A continuación las aguas son conducidas al desarenado y desengrasado donde son retiradas las gravas, arenas y material inorgánico por gravedad y los aceites, grasas, espumas y emulsiones por flotación. Estos dos procesos constituyen el pretratamiento. El tratamiento primario posterior consiste en una decantación en el que, por gravedad, sedimentan los sólidos en suspensión y comienza a degradarse parte de la materia orgánica. El agua decantada se introduce en el tratamiento biológico propiamente dicho o tratamiento secundario en el que se digiere o degrada el resto de la materia orgánica presente pasando posteriormente a una segunda decantación. El agua de salida de esta segunda decantación es el agua tratada. En determinadas plantas existen tratamientos terciarios que suelen consistir en filtros de carbón activado o tratamientos químicos para eliminación de determinadas sustancias. El elemento final de toda instalación es el canal clorador que se utiliza exclusivamente en caso de riesgo de epidemias, pero que su uso real es nulo. Todo este proceso, dictado de manera sencilla, lleva consigo naturalmente otros procesos de eliminación de los distintos desechos producidos en las diferentes etapas (arenas, fangos de las decantaciones, compuestos volátiles producidos por estos fangos) que forman parte de toda la EDAR. En la tabla 1 se relacionan las unidades de un proceso tipo de depuración y su función. VOL 22 NÚM 8 SEPTIEMBRE 2003 OFFARM 115

6 Proceso de potabilización Como ya hemos señalado en varias ocasiones, las potabilizadoras deben suministrar agua de una determinada calidad, por lo que la complejidad de la instalación depende fundamentalmente de la calidad del agua captada: cuanta mayor calidad tenga menor serán los procesos a los que tenga que ser sometida. Salvando esta premisa los procesos para adecuar el agua para el consumo humano son casi siempre los mismos: coagulación, floculación, decantación, filtración y desinfección (tabla 2). Actualmente se siguen muchas líneas de investigación en la industria privada sobre la purificación del agua con membranas de última generación, pero habrá que esperar todavía algunos años para que este proceso llegue a implantarse de forma generalizada en los proyectos de las nuevas instalaciones. Así una ETAP convencional comienza el tratamiento del agua captada mediante la adición de coagulantes y floculantes para la optimización de la sedimentación posterior, ya que el agua «limpia» captada está formada, a diferencia En plantas potabilizadoras donde el agua captada es de baja calidad se suelen implantar procesos de aireación y/o tratamientos químicos específicos para la eliminación de determinados compuestos del agua residual, con partículas de idéntica carga, arcillas de diámetro infinitesimal y partículas coloidales cuya sedimentación por gravedad sin aditivos sería imposible. Esta sucesión de procesos se puede realizar de manera separada en tanques para flocular y coagular Tabla 2. Unidades de un proceso tipo de potabilización y su función (línea de agua) Proceso Desbaste Coagulación-floculación Decantación Filtración Desinfección Tratamiento de afino y posteriormente un decantador para sedimentar o con un solo equipo. Posteriormente, el agua decantada es conducida al proceso de filtración que también puede realizarse en distintas modalidades: filtros abiertos de arena rápidos o lentos, con flujo ascendente o descendente, filtros a presión en depósitos de acero con arena o con mezcla de arena y antracita o variaciones de ambos sistemas. El agua, una vez filtrada, es desinfectada por los diferentes sistemas existentes aunque el más utilizado actualmente es la cloración. Frecuentemente, en las nuevas instalaciones, se utiliza la precloración o la preozonización del agua captada como primer tratamiento, lo cual optimiza de manera importante todo el proceso y mejora considerablemente la calidad del agua final. Asimismo, un elemento cada vez más implantado tanto en las plantas de reciente construcción como en las antiguas (como proceso de mejora y complementario a todo lo existente) son los filtros de carbón activado que permiten eliminar compuestos orgánicos de diversos tipos (causantes en gran parte de los olores y sabores desagradables del agua) y los tan nombrados trihalometanos, compuestos con denominación de cancerígenos. Por último, en plantas potabilizadoras donde el agua captada es de baja calidad se suelen implantar Función Eliminación de sólidos de pequeño y mediano tamaño Desestabilización de partículas para favorecer la formación de flóculos de elevado tamaño capaces de sedimentar o quedar retenidas en la filtración Separación por gravedad de los flóculos formados y otros sólidos en suspensión. Tratamiento opcional no siempre presente Retención de todo tipo de partículas de pequeño tamaño y de los flóculos en caso de no existir decantación Supresión de microorganismos Eliminación de compuestos orgánicos y organoclorados (que dan sabor y olor al agua) u otros compuestos que atraviesan los filtros, mediante carbón activado. Tratamiento opcional no presente en todas las potabilizadoras procesos de aireación y/o tratamientos químicos específicos para la eliminación de determinados compuestos (por ejemplo, hierro o manganeso). Y todo esto, al igual que en el proceso de depuración, con sus correspondientes equipos y procesos complementarios como el de lavado de los filtros, tratamientos de los fangos de desecho o automatización. Bibliografía general Arboleda J. Teoría y práctica de la purificación del agua. Colombia: McGraw- Hill Interamericana, Catalán J. Depuradoras: bases científicas. Madrid: Editorial Bellisco, Fariñas M. Nuevos sistemas de tratamiento en la reutilización de aguas depuradas. Tecnoambiente 2002; Hernández Muñoz A. Depuración de aguas residuales. Madrid: Colegio de Ingenieros de Caminos, canales y puertos, Metcalf & Eddy, Inc. Ingeniería sanitaria. Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas residuales. Barcelona: Labor, Muñoz J, Del Hoyo J. El dominio del ingenio. MOPT. El agua en España. 1993;411: RD 140/2003, de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano (BOE del 21 de febrero). 116 OFFARM VOL 22 NÚM 8 SEPTIEMBRE 2003