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Tratamiento del agua

Planta de tratamiento de agua de Dalecarlia, Washington, DC El tratamiento del agua es cualquier proceso que mejora su calidad para que sea apta para un uso final específico. Es...

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Planta de tratamiento de agua de Dalecarlia, Washington, DC

El tratamiento del agua es cualquier proceso que mejora su calidad para que sea apta para un uso final específico. Este uso final puede ser el consumo humano , el suministro de agua industrial, el riego , el mantenimiento del caudal de los ríos, la recreación acuática u otros usos, incluyendo su vertido seguro al medio ambiente. El tratamiento del agua elimina contaminantes y componentes indeseables, o reduce su concentración, de modo que el agua sea apta para el uso final deseado. Este tratamiento es fundamental para la salud humana y permite que las personas se beneficien tanto del consumo humano como del riego.

En las últimas décadas se han desarrollado métodos avanzados de tratamiento de agua debido a la creciente preocupación por nuevos contaminantes como los microplásticos, los productos farmacéuticos y las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS). Estos incluyen procesos de oxidación avanzada, filtración por membrana y técnicas basadas en adsorción que utilizan materiales como nanomateriales diseñados a medida y carbón activado. Además, la eficiencia energética, la recuperación de recursos y la sostenibilidad en los sistemas de tratamiento de agua están recibiendo mayor atención, especialmente en áreas donde el agua es escasa y las demandas ambientales son cada vez mayores. [ 1 ]

Tipos

Tratamiento del agua potable

La contaminación del agua se debe principalmente al vertido de aguas residuales sin tratar procedentes de actividades industriales y comerciales. Los efluentes de diversas empresas, que contienen distintos niveles de contaminantes, se vierten en ríos u otros recursos hídricos. Las aguas residuales pueden presentar una alta proporción de contaminantes orgánicos e inorgánicos en el momento del vertido inicial. Las industrias generan aguas residuales como resultado de procesos de fabricación, procesos relacionados con papel y pulpa , textiles , productos químicos y de diversos flujos como torres de refrigeración , calderas y líneas de producción. [ 2 ]

Procesos típicos de tratamiento de agua potable

El tratamiento para la producción de agua potable implica la eliminación de contaminantes y/o la inactivación de cualquier microbio potencialmente dañino del agua cruda para producir agua lo suficientemente pura para el consumo humano sin ningún riesgo a corto o largo plazo de efectos adversos para la salud. En términos generales, los mayores riesgos microbianos están asociados con la ingestión de agua contaminada con heces humanas o animales (incluidas las aves). Las heces pueden ser una fuente de bacterias patógenas, virus, protozoos y helmintos. La eliminación o destrucción de patógenos microbianos es esencial y comúnmente implica el uso de agentes químicos reactivos como sólidos en suspensión , para eliminar bacterias , algas , virus , hongos y minerales como el hierro y el manganeso . La investigación, incluido el grupo de la profesora Linda Lawton en la Universidad Robert Gordon , Aberdeen, está trabajando para mejorar la detección de cianobacterias . [ 3 ] Estas sustancias siguen causando grandes daños a varios países menos desarrollados que no tienen acceso a sistemas eficaces de purificación de agua.

Las medidas adoptadas para garantizar la calidad del agua no solo se refieren al tratamiento del agua, sino también a su transporte y distribución posterior al tratamiento. Por lo tanto, es práctica común mantener desinfectantes residuales en el agua tratada para eliminar la contaminación bacteriológica durante la distribución y mantener limpias las tuberías. [ 4 ]

El agua suministrada a viviendas, como la del grifo u otros usos, puede someterse a un tratamiento adicional antes de su consumo, a menudo mediante un proceso de tratamiento en línea. Dichos tratamientos pueden incluir el ablandamiento del agua o el intercambio iónico.

Tratamiento de aguas residuales

Planta de tratamiento de aguas residuales (un tipo de planta de tratamiento de aguas residuales) en La Crosse, Wisconsin.

El tratamiento de aguas residuales es un proceso que elimina los contaminantes de las aguas residuales . El efluente resultante , descargado en un cuerpo de agua, tiene un impacto ambiental aceptable. [ 5 ] Las aguas residuales domésticas, también llamadas aguas residuales municipales o aguas negras , se procesan en una planta de tratamiento de aguas residuales . Las aguas residuales industriales a menudo se procesan en una instalación de tratamiento de aguas residuales industriales especialmente diseñada , [ 6 ] o en una planta de tratamiento de aguas residuales. En este último caso, la industria generalmente realiza un pretratamiento in situ de los residuos, antes de enviarlos a la planta municipal. Otros tipos de plantas de tratamiento de aguas residuales incluyen plantas de tratamiento de aguas residuales agrícolas y plantas de tratamiento de lixiviados .

El término "tratamiento de aguas residuales" se usa a menudo para referirse al "tratamiento de aguas residuales". [ 7 ]

Los procesos comunes en el tratamiento de aguas residuales incluyen la separación de fases , como la sedimentación, diversos procesos biológicos y químicos, como la oxidación, y el pulido. El principal subproducto de las plantas de tratamiento de aguas residuales es un tipo de lodo que generalmente se trata en la misma planta o en otra. [ 7 ] : Cap. 14 El biogás puede ser otro subproducto si el proceso utiliza tratamiento anaeróbico.

Tratamiento de aguas industriales

El tratamiento del agua se utiliza para reducir el impacto en los equipos empleados en procesos industriales, como calefacción, refrigeración, procesamiento, limpieza y enjuague, con el fin de disminuir los costos operativos y los riesgos. Un tratamiento deficiente del agua permite que esta interactúe con las superficies de las tuberías y los recipientes que la contienen. Las calderas de vapor pueden incrustarse o corroerse, y estos depósitos implican la necesidad de más combustible para calentar la misma cantidad de agua. Las torres de refrigeración también pueden incrustarse y corroerse, pero si no se tratan, el agua caliente y sucia que pueden contener favorece el crecimiento bacteriano, y la legionelosis puede tener consecuencias fatales. El tratamiento del agua también se utiliza para mejorar la calidad del agua que entra en contacto con el producto fabricado (por ejemplo, semiconductores) o que forma parte del producto (por ejemplo, bebidas, productos farmacéuticos). En estos casos, un tratamiento deficiente del agua puede provocar productos defectuosos. [ 8 ]

En muchos casos, las aguas residuales de un proceso pueden reutilizarse en otro si se les aplica el tratamiento adecuado. Esto permite reducir los costos al disminuir los cargos por consumo de agua, reducir los costos de eliminación de efluentes debido a la reducción del volumen y disminuir los costos de energía gracias a la recuperación del calor en las aguas residuales recicladas.

En la planta de tratamiento de aguas subterráneas artificiales de Turun Seudun Vesi Oy , el agua bruta pretratada del río Kokemäki se absorbe a través de las cuencas hacia la formación de la cresta de Virttaankangas.

Procesos

Tanque de aireación vacío para precipitación de hierro

Para la eliminación de sustancias químicas peligrosas del agua, se han aplicado muchos procedimientos de tratamiento . [ 9 ]

Los procesos que intervienen en la eliminación de los contaminantes incluyen procesos físicos como la sedimentación y la filtración , procesos químicos como la desinfección y la coagulación , y procesos biológicos como la filtración lenta con arena .

En todo el mundo, para el tratamiento del agua potable municipal se utiliza una combinación de los siguientes procesos (dependiendo de la estación del año y de los contaminantes y productos químicos presentes en el agua bruta).

Químico

Tanques con filtros de arena para eliminar el hierro precipitado (no funcionaban en ese momento).

Se utilizan diferentes procedimientos químicos para la conversión en productos finales o la eliminación de contaminantes para la eliminación segura de contaminantes. [ 10 ]

  • Precloración para el control de algas y la inhibición del crecimiento biológico .
  • Aireación junto con precloración para la eliminación del hierro disuelto cuando está presente con cantidades relativamente pequeñas de manganeso.
  • Desinfección para eliminar bacterias, virus y otros patógenos, mediante cloro, ozono y luz ultravioleta.

Físico

Las técnicas físicas de tratamiento de agua/aguas residuales se basan en fenómenos físicos para completar el proceso de eliminación, en lugar de cambios biológicos o químicos. [ 10 ]

Las técnicas físicas más comunes son:

  • La sedimentación es uno de los procedimientos principales más importantes para el tratamiento de aguas residuales. La sedimentación por gravedad es un método para separar partículas de un fluido. La partícula en suspensión permanece estable en condiciones de reposo debido a la disminución de la velocidad del agua durante el proceso de tratamiento, tras lo cual las partículas se sedimentan por la fuerza de la gravedad. [ 11 ] [ 12 ] Para la separación de sólidos, se trata de la eliminación de los sólidos suspendidos atrapados en el flóculo.
  • La filtración es la técnica para eliminar contaminantes según el tamaño de sus partículas. La eliminación de contaminantes de las aguas residuales permite reutilizar el agua para diversos fines. Los tipos de filtros utilizados en el proceso varían según los contaminantes presentes en el agua. La filtración de partículas y la filtración por membrana son las dos principales formas de filtración de aguas residuales. [ 13 ]
  • La flotación por aire disuelto ( desgasificación ) es el proceso de eliminar los gases disueltos de una solución . La ley de Henry establece que la cantidad de gas disuelto en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas. La desgasificación es un método de bajo costo para eliminar el dióxido de carbono de las aguas residuales, que eleva el pH del agua al eliminar el gas. [ 10 ]
  • El desgasificador se utiliza para reducir el oxígeno y el nitrógeno en el agua de alimentación de las calderas.

Fisicoquímico

También conocido como tratamiento "convencional".

  • Coagulación para floculación . La adición de coagulantes desestabiliza las suspensiones coloidales al neutralizar sus cargas, lo que da como resultado la agregación de partículas más pequeñas durante el proceso de coagulación. [ 14 ]
  • Coadyuvantes de coagulación, también conocidos como polielectrolitos , para mejorar la coagulación y lograr una formación de flóculos más robusta.
  • Los polielectrolitos, también conocidos en el sector como polímeros , suelen tener carga positiva o negativa. La naturaleza del polielectrolito utilizado depende exclusivamente de las características del agua de origen de la planta de tratamiento.
  • Estos productos se suelen utilizar junto con un coagulante primario como el cloruro férrico, el sulfato férrico o el alumbre.

La precipitación química es un proceso común utilizado para reducir las concentraciones de metales pesados ​​en aguas residuales. Los iones metálicos disueltos se transforman en una fase insoluble mediante una interacción química con un agente precipitante como la cal. En aplicaciones industriales, se pueden utilizar álcalis más fuertes para lograr una precipitación completa. En el tratamiento de agua potable, el efecto del ion común se utiliza a menudo para ayudar a reducir la dureza del agua. [ 15 ]

La flotación utiliza la adhesión de burbujas para separar sólidos o líquidos dispersos de una fase líquida. [ 16 ]

Filtración por membrana

La filtración por membrana puede eliminar sólidos en suspensión y componentes orgánicos, así como contaminantes inorgánicos como metales pesados. Para la eliminación de metales pesados, se pueden utilizar diversas formas de filtración por membrana , como ultrafiltración , nanofiltración y ósmosis inversa , dependiendo del tamaño de partícula que se pueda mantener. [ 17 ] [ 18 ] Los antiincrustantes pueden ayudar a mantener la filtración por membrana. [ 19 ] Algunas moléculas pequeñas pueden permear en cierta medida a través de las membranas . [ 19 ]

Intercambio iónico

El intercambio iónico es un proceso reversible de intercambio iónico en el que una sustancia insoluble ( resina ) toma iones de una solución electrolítica y libera iones adicionales de la misma carga en una cantidad químicamente comparable sin cambiar la estructura de la resina. [ 20 ] [ 21 ]

Técnicas de tratamiento electroquímico

  • Electrodiálisis (ED)
  • Electrólisis de membrana (EM)
  • Precipitación electroquímica (EP) [ 18 ]

Adsorción

La adsorción es un proceso de transferencia de masa en el que una sustancia se transporta desde la fase líquida a la superficie de un sólido/líquido (adsorbente) y se une a ella física y químicamente (adsorbato). La adsorción se puede clasificar en dos formas según el tipo de atracción entre el adsorbato y el adsorbente: adsorción física y química, comúnmente conocidas como fisisorción y quimisorción. [ 22 ] [ 23 ]

Carbón activado

Los carbones activados (CA) o carbón activado biológico (CAB) [ 24 ] son ​​adsorbentes eficaces para una amplia variedad de contaminantes. La eliminación por adsorción de color, aroma, sabor y otros compuestos orgánicos e inorgánicos nocivos del agua potable y las aguas residuales es una de sus aplicaciones industriales. [ 25 ]

Tanto una gran superficie como un tamaño de poro grande pueden mejorar la eficiencia del carbón activado. El carbón activado se ha utilizado en numerosos estudios para eliminar metales pesados ​​y otros tipos de contaminantes de las aguas residuales. El costo del carbón activado está aumentando debido a la escasez de carbón activado comercial (CA). Gracias a su gran superficie, porosidad y flexibilidad, el carbón activado tiene un gran potencial en el tratamiento de aguas residuales. [ 25 ]

Biológico

Este es el método mediante el cual los componentes químicos orgánicos disueltos y suspendidos se eliminan a través de la biodegradación , en la cual se proporciona una cantidad óptima de microorganismos para recrear el mismo proceso natural de autopurificación. [ 26 ] A través de dos procesos biológicos distintos , como la oxidación biológica y la biosíntesis , los microorganismos pueden degradar materiales orgánicos en las aguas residuales. Los microorganismos involucrados en el tratamiento de aguas residuales producen productos finales como minerales , dióxido de carbono y amoníaco durante el proceso de oxidación biológica. Los minerales (productos) permanecen en las aguas residuales y se descargan con el efluente . Los microorganismos utilizan los materiales orgánicos en las aguas residuales para generar nuevas células microbianas con una biomasa densa que se elimina por sedimentación a lo largo del proceso de biosíntesis. [ 27 ]

Estándares

Países donde el agua del grifo es potable (azul)

Muchos países desarrollados especifican normas que deben aplicarse en su territorio. En Europa, esto incluye la Directiva Europea de Agua Potable [ 28 ] y en Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) establece normas según lo exige la Ley de Agua Potable Segura . Para los países que no cuentan con un marco legislativo o administrativo para dichas normas, la Organización Mundial de la Salud publica directrices sobre las normas que deben alcanzarse. [ 29 ] China adoptó su propia norma de agua potable GB3838-2002 (Tipo II), promulgada por el Ministerio de Protección Ambiental en 2002. [ 30 ]

Cuando existen normas de calidad del agua potable, la mayoría se expresan como directrices u objetivos en lugar de requisitos, y muy pocas normas de agua tienen fundamento jurídico o están sujetas a cumplimiento. [ 31 ] Dos excepciones son la Directiva Europea de Agua Potable y la Ley de Agua Potable Segura de Estados Unidos, que exigen el cumplimiento legal de normas específicas.

países en desarrollo

Las opciones tecnológicas apropiadas en el tratamiento del agua incluyen diseños de punto de uso (POU) o autoabastecimiento a escala comunitaria y doméstica . [ 32 ] Dichos diseños pueden emplear métodos de desinfección solar del agua , utilizando la irradiación solar para inactivar microorganismos dañinos transmitidos por el agua directamente, principalmente por el componente UV-A del espectro solar, o indirectamente a través de la presencia de un fotocatalizador de óxido, típicamente TiO 2 soportado en sus fases anatasa o rutilo . [ 33 ] A pesar del progreso en la tecnología SODIS, las unidades de tratamiento de agua excedentes militares como el ERDLator todavía se utilizan con frecuencia en países en desarrollo. Las nuevas Unidades de Purificación de Agua por Ósmosis Inversa (ROWPU) de estilo militar son plantas de tratamiento de agua portátiles y autónomas que están cada vez más disponibles para uso público. [ 34 ]

Para que la reducción de enfermedades transmitidas por el agua sea duradera, los programas de tratamiento de agua que los grupos de investigación y desarrollo inicien en países en desarrollo deben ser sostenibles gracias a la participación de la población local. Esto garantiza la eficacia de dichos programas tras la partida del equipo de investigación, ya que el seguimiento resulta difícil debido a la lejanía de muchas zonas.

Consumo de energía: Las plantas de tratamiento de agua pueden ser importantes consumidoras de energía. En California, más del 4% del consumo de electricidad del estado se destina al transporte de agua de calidad moderada a largas distancias, tratando esa agua a un alto estándar. [ 35 ] En áreas con fuentes de agua de alta calidad que fluyen por gravedad hasta el punto de consumo, los costos serán mucho menores. Gran parte de los requisitos de energía se encuentran en el bombeo. Los procesos que evitan la necesidad de bombeo tienden a tener demandas de energía generales bajas. Aquellas tecnologías de tratamiento de agua que tienen requisitos de energía muy bajos incluyen filtros percoladores , filtros de arena lentos , acueductos por gravedad .

Un estudio de 2021 encontró que un programa de cloración de agua a gran escala en áreas urbanas de México redujo masivamente las tasas de mortalidad infantil por enfermedades diarreicas. [ 36 ]

Materiales

Los aceros inoxidables, como los tipos 304L y 316L, se utilizan ampliamente en la fabricación de plantas de tratamiento de agua debido a su resistencia a la corrosión del agua y a la corrosividad de la cloración utilizada para la desinfección. [ 37 ] [ 38 ]

Véase también

Referencias

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  • Asociación Internacional del Agua Organización profesional/de investigación
  • NSF International – Organización independiente sin fines de lucro dedicada a la normalización de normas
  • WHO.int , Directrices de la OMS
  • Sitio web sobre agua potable y sostenible para Haití, alojado por la Universidad Estatal de Grand Valley.
  • Comparación de diferentes tipos de sistemas de purificación de agua