COTRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Y DOMÉSTICAS MEDIANTE CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS
El tratamiento de las aguas residuales domésticas producidas en plantas industriales sin alcantarillado suele consistir en un tratamiento biológico aerobio, previa separación de sólidos en suspensión y posterior desinfección. En cuanto a los residuos industriales líquidos, no se puede generalizar, ya que el tipo de tratamiento a aplicar depende de muchos factores, entre ellos, calidad y cantidad de contaminantes, uso posterior del agua residual, cauce receptor, etc. Si este último debe ser sometido a un tratamiento biológico, puede analizarse la factibilidad técnica de cotratar ambas aguas residuales, especialmente si significa un ahorro tanto en los costes de inversión como en los de operación.
[Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. URJC]
Las aguas residuales urbanas en términos generales son aquellas que han sido usadas por el hombre y han quedado contaminadas. La procedencia de estas aguas suele ser de uso doméstico, de limpieza pública, de la eliminación de excrementos y de las lluvias. En cuanto a su composición, se caracterizan por variar muy poco tanto cuantitativa como cualitativamente, aunque dependen del desarrollo de la población en cuanto a su alimentación, nivel de vida e higiene. Su pH suele estar en torno a 7, la DQO entre 320 y 500 mg/L, el nivel de TOC entre 135 y 215 mg/L y además, contienen nutrientes (nitrógeno y fosforo) a niveles suficientes para la proliferación de microorganismos para su tratamiento en estaciones depuradoras de aguas residuales. Debido a sus características, estas aguas pueden ser tratadas mediante un sistema biológico de degradación.
Por otro lado, las aguas residuales industriales presentan características muy diversas dependiendo tanto de los distintos tipos de industrias, así como de la línea de fabricación dentro de la propia industria. En cuanto a su composición, el contenido en materia orgánica y en sustancias tóxicas es muy variable, causando que los sistemas de depuración de aguas industriales sean específicos para cada caso concreto, siendo necesario para tratar cada agua un estudio específico de su composición, teniendo en cuenta a la hora de estudiar los parámetros de análisis de las aguas residuales tanto sus valores medios como instantáneos. Generalmente la industria trata o dispone separadamente los residuos líquidos industriales de los domésticos, que es como la normativa ambiental, en general, lo indica. El tratamiento de las aguas residuales domésticas producidas en plantas industriales sin alcantarillado suele consistir en un tratamiento biológico aerobio, previa separación de sólidos en suspensión y posterior desinfección. En cuanto a los residuos industriales líquidos, no se puede generalizar, ya que el tipo de tratamiento a aplicar depende de muchos factores, entre ellos, calidad y cantidad de contaminantes, uso posterior del agua residual, cauce receptor, etc. Si este último debe ser sometido a un tratamiento biológico, puede analizarse la factibilidad técnica de cotratar ambas aguas residuales, especialmente si significa un ahorro tanto en los costes de inversión como en los de operación.
Los Contactores Biológicos Rotativos (CBR), también denominados biodiscos, son lechos bacterianos de discos colocados en una cuba semicilíndrica. Un sistema de biodiscos está formado por una serie de módulos o discos, cada uno de los cuales constituyen una etapa en la depuración de las aguas residuales. Son sistemas que basan la retención de materia orgánica en el desarrollo de biopelículas retenidas sobre un soporte móvil. Los discos suelen estar fabricados en materiales ligeros como polipropileno o aluminio, de forma que la estructura no pese demasiado. Además, suelen presentar cierta rugosidad para que los microorganismos se adhieran mejor a su superficie.
Para aumentar la eficacia de las pequeñas plantas, el reactor biológico se divide en compartimentos o etapas separados mediante tabiques situados en el depósito a fin de variar el volumen de cada etapa según las necesidades. Éstos están parcialmente sumergidos en el agua residual y la otra parte se encuentra en contacto con el aire. La alimentación de agua residual pasa a través de los tanques en serie de tal forma que los ejes se mantienen ligeramente por encima de la superficie del agua. Generalmente la parte sumergida en el tanque es un 40 % del disco, tal y como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Esquema del mecanismo general de funcionamiento de un CBR.
Los discos están recubiertos, por ambos lados, de una película biológica adherida a su superficie. La rotación hace que estos microorganismos consuman materia orgánica en la fase en la que se encuentran sumergidos en el agua residual, mientras que en la fase aerobia consumen oxígeno de la atmósfera. El crecimiento biológico va aumentando hasta llegar a un espesor que puede variar entre 0,2 y 3,0 mm.
El funcionamiento de los biodiscos se puede diferenciar en cuatro fases en base a los fenómenos que se producen: i) en primer lugar el sustrato y el oxígeno se transportan del agua residual a la superficie de la biopelícula; ii) después se transportan hacia el interior de la biopelícula por difusión; iii) posteriormente se produce una oxidación del sustrato en el interior de la biopelícula; y iv) por último, hay una eliminación de los productos de desecho, producidos en la tercera fase, vertiéndolos al agua residual situada en el depósito. Las poblaciones de microorganismos que se forman en cualquier etapa del proceso reflejan las condiciones ambientales y de carga de esa etapa.
Una ventaja de estos sistemas de contactores biológicos rotativos, a nivel de depuradora convencional es que los biodiscos tienen pequeñas dimensiones con respecto a las demás etapas que utilizan las estaciones depuradoras de aguas residuales. Además, los CBR admiten grandes fluctuaciones en la carga hidráulica y en la carga orgánica, y son capaces de soportar temperaturas exteriores bajas. También es importante destacar que están fabricados por materiales de poco peso, la velocidad de giro de los discos es muy reducida, y por lo tanto, generan un consumo energético muy bajo.
Las dificultades que se pueden encontrar en procesos con CBR pueden provenir de diferentes causas. Por un lado, puede existir una excesiva pérdida de biomasa, por el proceso natural de los microorganismos en el que la biopelícula tiende a desprenderse pero en ocasiones este desprendimiento puede ser mayor a lo que ocurre habitualmente. Un motivo que ocasiona este fenómeno puede estar asociado a las sustancias tóxicas o inhibidoras contenidas en las aguas residuales a depurar. Otras veces se produce la formación de una biomasa blanca, probablemente asociada a bacterias filamentosas, estos organismos no afectan de forma inmediata en la depuración pero pueden provocar una reducción en los rendimientos. La existencia de esta anomalía puede ser debido a altas concentraciones de ácido sulfhídrico.
La presencia de productos farmacéuticos en las aguas residuales se considera hoy en día un problema muy serio ya que pueden provocar efectos nocivos en la mayoría de seres vivos que se puedan ver afectados por su presencia. Diversos investigadores han afrontado el tratamiento de aguas residuales procedentes de la industria farmacéutica. La primera posibilidad para su tratamiento es el uso de procesos convencionales existiendo cuatro formas básicas para eliminar estos compuestos: (i) adsorción selectiva en sólidos en suspensión o extracción en grasas y aceites, (ii) degradación aeróbica o anaeróbica por medio de microorganismos, (iii) degradación química (abiótica) y (iv) volatilización. Estas sustancias pueden seguir tres rutas: la sustancia es completamente mineralizada a dióxido de carbono y agua, la sustancia es lipofílica y por lo tanto se retiene en los fangos y no es degradada, o bien la sustancia es degradada parcialmente a una sustancia más hidrofílica que la original y por tanto supera la fase de tratamiento de aguas residuales y es emitida al medio. Sin embargo, este tipo de tratamientos no suelen resultar eficaces para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas industriales, por lo que se suelen utilizar los procesos de oxidación avanzada para el tratamiento de estas aguas, bien de manera individual, o acoplados a tratamientos biológicos. Pero lo que no se ha estudiado de manera exhaustiva es el tratamiento conjunto de aguas de origen farmacéutico con aguas municipales.
Utilizando un sistema de contactores biológicos rotativos se ha propuesto un proceso de cotratamiento de un agua residual farmacéutica junto con un agua residual sintética de características similares a un agua residual urbana.
Este agua industrial posee una alta carga orgánica, con valores de DQO muy elevados de casi 50 g/L, y un COT de 10 g/L. Además, presenta valores de nitrógeno total por encima de los valores límite que marca la (Ley 10/93 y Decreto 57/2005) en la Comunidad de Madrid (125 mg/L), así como una elevada turbidez y conductividad.
El análisis de biodegradabilidad tipo Zahn-Wellens determinó la viabilidad de un tratamiento biológico. De esta manera, se realizó el cotratamiento del agua sintética con un 5 % de aportación de agua residual de origen farmacéutico. La elevada carga orgánica de entrada en los CBR (700 mg/L de COT) provocó la formación de una gruesa biopelícula sobre los mismos como se puede observar en la Figura 2, lo que demuestra que el aumento de la carga orgánica puede repercutir en los microorganismos de manera notable incrementando su población al tener más carbono para su crecimiento y formación de estructuras celulares.
Figura 2. Detalle de los CBR durante el cotratamiento al 5 %.
El tratamiento biológico del agua residual mediante los CBR resultó satisfactorio alcanzándose eliminaciones de COT y DQO en torno a un 80 %, lo cual permitió reducir notablemente la carga orgánica a la salida del tratamiento hasta valores de aproximadamente 80 mg/L, y a su vez posibilitó situar sus valores por debajo del límite de emisión permisible por la legislación de 1750 mg/L. En cuanto al nitrógeno total, durante el cotratamiento se produjo una desnitrificación alcanzándose eliminaciones del nitrógeno por encima del 60 %, y con valores por debajo del límite marcado por la legislación, lo cual permitiría el uso de estas aguas para múltiples fines tras su tratamiento.