Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 106, Nº. 1-2, pp 55-68, 2013XV Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

EL AGUA: TRATAMIENTO Y REGENERACIÓN DE UN RECURSOESCASOARTURO ROMERO SALVADOR *

* Departamento de Ingeniería Química, Universidad Complutense de Madrid. Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Valverde 22, 28004 Madrid.

1. INTRODUCCIÓN

Aunque el agua es el compuesto más abundante dela Tierra, únicamente el 2,53% del total es agua dulce,el resto es agua salada. Aproximadamente las dos ter-ceras partes del agua dulce se encuentran inmovili-zadas en glaciares y nieves perpetuas. A la cantidadexistente en lagos, ríos y acuíferos se agregan los8.000 km3 almacenados en embalses. Los recursoshídricos son renovables (excepto ciertas aguas subte-rráneas) pero presentan grandes diferencias de dispo-nibilidad y amplias variaciones de precipitación esta-cional y anual en diferentes partes del mundo. La pre-cipitación constituye la principal fuente de agua paralos usos humanos y para las necesidades de los ecosis-temas. Esta precipitación es recogida por las plantas yel suelo, se evapora a la atmósfera mediante el procesode evapotranspiración y corre hasta el mar, a través delos ríos, o hasta lagos y humedales. Gracias a la capa-cidad que tiene la naturaleza para eliminar residuos, elhombre ha podido utilizar, durante milenios, lascorrientes de agua como receptoras de los desechosprocedentes de sus distintas actividades. Sin embargo,a partir de la segunda mitad del siglo XX, debido alincremento de la población humana y al desarrollo dela sociedad industrial, la capacidad auto-depuradora dela naturaleza dejó de ser suficiente y fue apareciendo elproblema de la contaminación de las aguas, problemaque ha ido creciendo a lo largo de los años. Por unlado, tanto la población como el consumo de agua percápita ha aumentado (debido a la mejora de la calidadde vida) y en consecuencia el porcentaje de agua

objeto de apropiación ha ido creciendo de formasimilar. Por otro, unos dos millones de toneladas dedesechos se arrojan diariamente en aguas receptoras,incluyendo residuos industriales y productos químicos,vertidos humanos y desechos agrícolas (fertilizantes,pesticidas y residuos de pesticidas). Se estima que unlitro de agua contaminada, contamina 8 litros de aguadulce y que aproximadamente la producción global deaguas residuales es de 1.500 km3, que contienen el90% de los residuos peligrosos producidos en elmundo. Si al aumento del consumo se añaden los pro-blemas ocasionados por las variaciones espacio/tem-porales del agua y el descenso de recursos debidos a lacontaminación del agua dulce, se puede deducir que lacantidad disponible para todos los usos puede escaseary conducir a una crisis del agua.

La comprensión de los procesos hidrológicos hapermitido contar en muchas partes del mundo conrecursos hídricos suficientes para satisfacer las necesi-dades y reducir los riesgos de situaciones extremas. Noobstante, como las presiones sobre el sistema hidro-lógico continental aumentan al ritmo del crecimiento ydel desarrollo económico, se plantean graves retospara resolver la previsible falta del agua y los efectosde los contaminantes que contiene. Actualmente, elhombre desempeña un papel significativo en el ciclohidrológico, papel que es especialmente perjudicialpara la población de los países en vías de desarrollo. Seestima que, a mediados del siglo XXI, unos 2.000millones de personas en 48 países sufrirán escasez deagua. La solución al problema se basa en tres actua-

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ciones: minimización, tratamiento y reutilización. Sonnecesarias las buenas prácticas en hogares, industriasy uso público y la aplicación de tratamientos ade-cuados en función del tipo de agua, de su caudal y desu posterior destino.

2. USOS Y CONTAMINACIÓN DEL AGUA

El agua es uno de los componentes fundamentalesde la vida y la disponibilidad de agua segura es unanecesidad básica de las personas. Aunque el uso delagua depende del nivel de desarrollo de los países y desus características particulares, la mayor parte sededica a fines agrícolas (80% en países en vías dedesarrollo) o industriales (60% en países desarro-llados). Solamente el 10% corresponde al consumohumano. Como el agua puede contener un grannúmero de compuestos que afectan a su calidad, y portanto a la seguridad de las personas, deben utilizarselos conocimientos científicos sobre toxicidad y sobretécnicas de reducción o eliminación para establecerparámetros y niveles que garanticen su adecuaciónpara el consumo. No todas las fuentes de agua dulcepueden potabilizarse por métodos tradicionales ni sonadecuadas para este fin por razones legales o pre-juicios sociales. Desde tiempos remotos se utilizaronlas aguas pluviales, captadas en las cubiertas de losedificios, para todos los usos domésticos. El resto delas pluviales que precipitaban en el ámbito públicodieron origen a los sistemas urbanos de drenaje,primera forma de evacuación de aguas contaminadas.Otro tipo de aguas residuales urbanas son las quetransportan de desechos domésticos.

La cantidad de agua que se dedica a producir ali-mentos depende, además de las peculiaridades socioe-conómicas de las sociedades que habitan el territorio,del tipo de producto que cosechan. Mientras que loscereales suponen más de la mitad del aporte energéticoy para ello consume un 23% de agua, la carne suponeun 15% del aporte energético y necesita consumir el29% del agua. Las actividades agrícolas modifican lacalidad de las aguas a través de la contaminacióndifusa que resulta del uso de fertilizantes y fitosani-tarios (agroquímicos).

Para la mayoría de la población mundial, laindustria es uno de los principales motores del creci-

miento económico, especialmente importante en lospaíses en vías de desarrollo. El agua se utiliza en laindustria de muy diferentes maneras: para limpieza,calentar o enfriar, para generar vapor, para transportarpartículas o sustancias disueltas, como materia prima,como disolvente o como una parte constituyente delproducto. El agua que no permanece en el producto,subproductos o residuos sólidos generados en elproceso, es el agua residual. En casi todos los procesosla cantidad de agua empleada es mucho mayor que lacantidad consumida.

Cuando un vertido de agua residual sin tratar,urbana o industrial, llega a un cauce produce variosefectos sobre él:

— La vegetación de las riberas se cubre con lossólidos gruesos que lleva el agua residual, talescomo plásticos, utensilios, restos de alimentos,etc.

— Se acumula en el fondo y orillas del cauce unaparte de sólidos en suspensión que transporta elagua, tales como arenas y materia orgánica.

— Aumenta el consumo del oxígeno disuelto debi-do a la descomposición de la materia orgánica yde compuestos amoniacales del agua residual.

— Se forman malos olores por agotamiento deloxígeno disuelto en el agua receptora cuando noes capaz de recuperar las condiciones aerobias.

— Grandes cantidades de microorganismos, entrelos que puede haber un elevado número de pató-genos, se incorporan al cauce.

— Los compuestos químicos tóxicos o inhibidoresde la actividad biológica (dependiendo de lascaracterísticas del vertido) contaminan lasaguas receptoras.

— Aumenta la eutrofización, al aportar grandescantidades de nitrógeno y de fósforo.

Tradicionalmente la descarga de efluentes se haevaluado y regulado a partir de propiedades físicas yquímicas, utilizando parámetros indirectos y globalescomo DQO, DBO, SST, pH, o midiendo la concen-tración de sustancias peligrosas específicas. En el casode aguas residuales complejas es preciso emplear,además de este tipo de mediciones, una metodologíadiferente. Con la Evaluación Global de Efluentes se

estiman los posibles efectos adversos de los vertidos,utilizando parámetros similares a los empleados en laevaluación de sustancias: toxicidad aguda, mutageni-cidad, toxicidad crónica, bioacumulación o persis-tencia. Aquellos compuestos químicos que son persis-tentes, tóxicos o susceptibles de bioacumulaciónrequieren una atención especial para proteger elentorno acuático.

La contaminación de las aguas subterráneas estádirectamente relacionada con la eliminación deresiduos procedentes de la producción de energía,industria, minería, agricultura, etc. A diferencia de lasfuentes de contaminación difusa, las fuentes concen-tradas se encuentran localizadas en sistemas diseñadospara contener residuos y en fugas y derrames acciden-tales durante el transporte o el almacenamiento de pro-ductos. En ambos casos los contaminantes puedenalcanzar, después de atravesar la barrera que supone elsuelo entre el foco y el agua, los acuíferos. Estasfuentes de contaminación son responsables de la pre-sencia de metales, radionucleidos, pesticidas, hidrocar-buros BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno, xileno),disolventes clorados (tricloroetileno, percloroetileno),hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), bife-nilos policlorados (PCBs) y una gran variedad de agro-químicos.

3. TECNOLOGÍAS PARA TRATAR ELAGUA

Tanto el origen como el destino del agua deter-minan cuales son los componentes que es preciso eli-minar para no superar los límites que se requieren parasu aplicación y, en consecuencia, para definir las dife-rentes operaciones que constituyen el proceso de depu-ración. Los tratamientos que recibe el agua para eli-minar sustancias que se encuentren en concentracionessuperiores a las permitidas se pueden clasificar enfísicos, químicos y biológicos.

Las operaciones físicas incluyen una gran variedadde tecnologías que fundamentalmente son procesos deseparación destinados a eliminar y concentrar losmateriales sólidos en suspensión. Pueden constituiruna etapa preliminar del tratamiento; por ejemplo laeliminación de arenas y otros sólidos inorgánicosmediante desbaste, filtración o sedimentación, con elfin de proteger los elementos de bombeo y conduc-

ciones y de mejorar el rendimiento de las siguientesoperaciones. En otros casos el objetivo es concentrarun lodo u otros sólidos generados durante el trata-miento, normalmente en las etapas químicas como flo-culación y precipitación o en procesos biológicos dedepuración, siendo la clarificación/sedimentación, laflotación y la filtración los métodos más comunes paralograrlo. También pueden emplearse tecnologíasbasadas en membranas para llevar a cabo operacionesde separación de sólidos o de sustancias disueltas en elagua. Las fases líquidas que se ponen en contacto conla membrana se mantienen a una presión hidrostáticadiferente, según el lado en el que se encuentren, deforma que las moléculas del soluto o disolventesituado en la fase del lado de alta presión atravesaránla membrana hasta el lado de baja presión. Estos pro-cesos permiten el paso selectivo, como ocurre con lasoperaciones de filtración, de ciertos componentes delagua a través de la barrera que se interpone con lamembrana. Utilizando membranas de diferente tamañode poro se logra, trabajando a la presión apropiada,separar distintos componentes del agua. La microfil-tración opera con membranas de tamaño de poro queimpide el paso de partículas en suspensión y la ultrafil-tración requiere tamaños de poro que no pueden atra-vesar las macromolóculas. La nanofiltración se utilizapara evitar el paso de pequeñas moléculas, sales diva-lentes y ácidos disociados y la ósmosis inversa impidetambién el paso de sales monovalentes y ácidos nodisociados. La presión necesaria, consumo de energía,para lograr el objetivo de cada uno de estos procesos estanto mayor cuanto mayor sea la dificultad del aguapara atravesar la membrana.

Con la ultrafiltración se puede separar materia ensuspensión y disuelta en función del tamaño, pesomolecular, forma y propiedades químicas de las molé-culas. Las sustancias más pequeñas que el tamaño delporo del filtro pasan con el disolvente, mientras quelos solutos de mayor tamaño son retenidos. Es un pro-cedimiento muy simple que no requiere cambio de faseni adición de productos químicos y que consume pocaenergía. Las membranas empleadas se fabrican conuna gran variedad de polímeros y compuestos que sonmuy resistentes a la temperatura, ácidos, bases, alco-holes, etc, permitiendo una limpieza efectiva.

Una tecnología bien establecida que se aplica en ladesalinización y depuración de diferentes tipos de agua

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es la ósmosis inversa. Se basa en un fenómeno dedifusión natural que tiene lugar entre dos disolucionesde distinta concentración a través de una membranasemipermeable. Esta membrana sólo permite quepasen a través de ella las moléculas de disolvente,constituyendo una barrera para las moléculas desoluto, coloides y bacterias. Al aplicar en el lado de ladisolución una presión superior a la osmótica se lograque las moléculas de disolvente del lado de la diso-lución pasen al lado del agua depurada. De esta formase logra separar el agua de una disolución. Los mate-riales de la membrana deben tener estabilidad químicay resistencia mecánica a la presión que deben soportarpara que el proceso optimice la cantidad y calidad deagua durante un tiempo de operación elevado.

La aplicación de procesos químicos al tratamientode aguas residuales tiene como objetivo general latransformación, mediante reacciones químicas apro-piadas, de sus componentes en especies químicas demenor peligrosidad o en compuestos inocuos. Los tra-tamientos químicos suelen ir acompañados de opera-ciones físicas, tratamiento fisicoquímico, que puedeser, dependiendo de la procedencia del agua, un trata-miento final o intermedio. Los procesos químicos con-vencionales más utilizados en el tratamiento de aguasson:

— Neutralización, cuando se pretende ajustar elpH.

— Precipitación, es un proceso que consiste en laadición de uno o varios reactivos al agua que,tras su reacción con los constituyentes que leconfieren el carácter tóxico, se transforman encompuestos de baja solubilidad y en una etapaposterior se separan del medio mediante opera-ciones físicas.

— Coagulación-floculación, es una combinaciónde dos procesos cuyo objetivo es la separaciónde materiales de pequeño tamaño de partículamediante la adición de compuestos químicosque actúan, unos como coagulantes y otroscomo floculantes. El material en suspensión seaglutina y va aumentando su tamaño hasta valo-res que permiten su separación.

— Ruptura de emulsiones en los que hay procesosintrínsecamente químicos y similares a los pro-cesos de coagulación-floculación.

— Oxidación-reducción, son un grupo muy ampliode procesos que se utilizan para transformardiversos constituyentes tóxicos a formas menospeligrosas como puede ser los compuestos decromo hexavalente, reducidos a cromo trivalen-te.

Otros procesos menos frecuentes son los procesoselectroquímicos, el intercambio iónico y la extracciónreactiva con disolventes. Los primeros tienen una apli-cación similar a los procesos de oxidación-reducción,presentando los procesos electroquímicos la posibi-lidad de recuperar los constituyentes en su forma ele-mental, característica especialmente destacable en larecuperación de metales. El intercambio iónico seutiliza para separar componentes iónicos mediante laretención de los constituyentes tóxicos en una resinaintercambiadora que es regenerada en una etapa pos-terior. La extracción reactiva con disolventes es unatecnología basada en la solubilidad preferente del com-puesto contaminante en un disolvente al que se incor-porar un agente extractante que reacciona de formaselectiva con los compuestos tóxicos.

Los procesos avanzados hacen referencia a tecno-logías emergentes de mayor eficacia en el tratamientode determinados tipos de agua contaminada. Porejemplo, las tecnologías de oxidación avanzada y laextracción con fluidos supercríticos posibilitan el tra-tamiento de un mayor número de aguas peligrosas nosusceptibles de ser depuradas mediante tecnologíasconvencionales.

El tratamiento biológico es una tecnología basadaen el uso de microorganismos para transformar conta-minantes orgánicos en compuestos más simples y pococontaminantes o, en el mejor de los casos, no contami-nantes. Otras sustancias, como los metales, no se meta-bolizan de manera apreciable pero los microorga-nismos pueden inmovilizarlos o modificar su valenciade manera que disminuya su toxicidad. Para los trata-mientos biológicos se utilizan tanto microorganismosque se encuentran en el medio natural como los modi-ficados genéticamente con el fin de aumentar su selec-tividad hacia un determinado sustrato. Manipulando deforma apropiada las variables ambientales se puedeoptimizar la biodegradación de compuestos que enotras circunstancias o condiciones sería mínima o nula.

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Es en el ciclo del carbono donde los microrga-nismos juegan un papel importante porque conviertenla materia orgánica compleja en CO2, agua y biomasa.Mediante procesos biológicos se pueden eliminarmuchas sustancias orgánicas presentes en el agua.Aunque actualmente es una técnica que sólo puedeaplicarse satisfactoriamente a unos pocos grupos decompuestos orgánicos se considera que será posibleaplicarla a familias de compuestos que actualmente seconsideran refractarias a la degradación biológica.

En el proceso de biodegradación de contaminanteses preciso conocer los tipos y cantidades de microorga-nismos presentes, la capacidad para metabolizarlos yla cinética de las transformaciones bioquímicas. Elproceso por el que los microorganismos transformanunas sustancias (sustrato o alimento) en otras puededividirse en dos etapas, una de síntesis o asimilación yotra de degradación o de respiración. En la etapa deasimilación, los microorganismos obtienen del sustratoel carbono que necesitan para sintetizar la estructuracelular. Este proceso de síntesis de la estructura celularnecesita que estén disponibles otros componentesmayoritarios, además de carbono, como nitrógeno yfósforo. En la segunda etapa, respiración, se utiliza elsustrato para obtener la energía que precisan en eldesarrollo de su actividad. El proceso global, síntesis ydegradación, es el resultado de un conjunto de reac-ciones bioquímicas catalizadas por enzimas que pro-ducen los microorganismos. Por tanto, la biodegra-dación permite transformar unas sustancias (sustratos)en otras mediante un proceso que engloba la asimi-lación (incorpora los componentes requeridos para laconstrucción de la estructura celular) y la respiración(emplea los compuestos para generar con un aceptorde electrones la energía necesaria para mantener fun-ciones celulares como el crecimiento). El proceso derespiración es un proceso biológico de oxidación-reducción en el que el aceptor final de electronespuede ser oxígeno (proceso aerobio) o una moléculainorgánica distinta y de menor potencial de reducción(proceso anaerobio).

Para acelerar la degradación natural de compuestosorgánicos presentes en aguas residuales se han uti-lizado tratamientos aerobios y anaerobios con los quese han reducido considerablemente los efectos adver-sos de las actividades del hombre sobre la calidad delas aguas. Es indudable que estos tratamientos bioló-

gicos, junto a los empleados para la desinfección delagua de consumo, han supuesto una enorme dismi-nución del riesgo de enfermedades.

En los siguientes apartados se describen algunasinstalaciones que tratan agua de una determinada pro-cedencia para lograr la calidad exigida en su destino.Estas instalaciones están formadas por operacionesfísicas, químicas o biológicas acopladas del modo másconveniente para que los contaminantes estén enmenor concentración que la correspondiente al límiteestablecido para su uso posterior.

4. AGUA DESTINADA AL CONSUMOHUMANO

La pervivencia de las sociedades humanas hadependido de su capacidad de almacenar agua y lograrque sea potable en el momento de su uso. La filtracióny ebullición han sido prácticas que han reducido latransmisión de enfermedades en pequeños gruposhumanos, pero el abastecimiento a grandes pobla-ciones requiere emplear técnicas de retención desólidos y de desinfección duradera a gran escala. Laprimera operación, sedimentación y posterior fil-tración con arena y carbón, se comenzó a implantar aprincipios del XIX mientras que la segunda, adicióncontinua de hipoclorito cálcico, se retrasó un siglo.

Actualmente, se utilizan estaciones de tratamientode agua potable (ETAP) para transformar agua naturalprocedente de los embalses y de otras captaciones enagua válida para el consumo humano, cumpliendo losrequisitos establecidos por la legislación vigente. Lasoperaciones que realizan estas ETAP se ordenan habi-tualmente del siguiente modo:

— Pre-oxidación. Adición de un compuesto oxi-dante al agua que llega a la instalación para eli-minar las sustancias reductoras que contiene,materia orgánica y compuestos inorgánicos.

— Coagulación/floculación. Adición de sustanciasque provocan la desestabilización de los coloi-des y favorecen la formación de partículas demayor tamaño (flóculos) para poder separar laspartículas que dan color y turbidez el agua. Lacoagulación se realiza mezclando rápidamenteel coagulante (sales de aluminio, carbón activo.cloruro férrico) con el agua mientras que en la

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fluculación la agitación del agua con el flocu-lante (derivados del almidón) es lenta.

— Decantación. Al circular el agua a través de unequipo (sedimentador) a velocidad muy peque-ña y tiempo de permanencia elevado se deposi-tan en el fondo las partículas y grupos de partí-culas más grandes y densas, formando un lodoque es preciso extraer.

— Filtración. El agua decantada atraviesa unos fil-tros para retener las partículas que no se separa-ron en la etapa de decantación.

— Neutralización. Adición de reactivos (hidróxidosódico, hidróxido cálcico) para lograr el valor depH que se requiere para su distribución.

— Desinfección. Utilizando cloro o compuestos decloro —hipoclorito, dióxido de cloro, clorami-nas— se eliminan los microorganismos quehayan sobrevivido a las etapas anteriores y seevita su formación en el recorrido que realiza elagua hasta el punto de consumo.

— Tratamiento de fangos. Las partículas separadasen el proceso de decantación y las procedentesdel lavado de los filtros se someten a un proce-so de concentración (decantación, flotación,deshidratación mecánica) con la finalidad de eli-minar el agua retenida y emplearlas con finesagrícolas o depositarlas en un vertedero.

En la figura 1 se muestra una fotografía de unaestación de tratamiento de agua potable y en la figura 2el esquema correspondiente.

Las operaciones descritas pueden modificarse utili-zando otros procedimientos que se adapten mejor a las

características del agua a potabilizar o aporten ventajaspara lograr el mismo objetivo de reducir la concen-tración de sustancias presentes hasta el límite esta-blecido. En la etapa de preoxidación puede emplearseozono porque mejora la coagulación de la materiaorgánica reduciendo el consumo de agentes de coagu-lación. El permanganato potásico es otro agente oxi-dante que puede utilizarse en esta etapa si el agua con-tiene suficiente cantidad de hierro o de manganeso. Enlugar de cámaras de sedimentación (sedimentadores)se pueden utilizar decantadores lamelares cuya efi-cacia es muy superior. También se pueden retenersólidos en suspensión, coloides y la mayoría de lasbacterias y virus del agua (desinfección física) utili-zando membranas de pequeño tamaño de poro (0,02micras). Este proceso de ultrafiltración es necesariocuando una fracción del agua tratada debe someterse aun proceso de ósmosis inversa. La última operación esnecesaria cuando el contenido de sulfatos y la conduc-tividad son demasiado grandes y deben reducirse. Lamezcla, en las proporciones adecuadas, de agua proce-dente de la ósmosis inversa con agua sometida única-mente a ultrafiltración permite lograr la mineralizacióny calidad adecuada para el consumo humano.

5. DEPURACIÓN DE AGUASRESIDUALES URBANAS

Las estaciones depuradoras de aguas residuales(EDAR) recogen el agua procedente de una poblacióno de una industria y, después de una serie de trata-

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Figura 1. Estación de tratamiento de agua potable de ElBodonal (Madrid). Canal de Isabel II. (www.elaguapotable.com)

Figura 2. Esquema general de la estación de tratamiento deagua potable de El Bodonal (Madrid). Canal de Isabel II.(www.elaguapotable.com)

mientos y procesos destinados a eliminar impurezasdebidas a su uso, la devuelve a un cauce receptor comoun río, un embalse o el mar. Una parte del agua tratadase puede reutilizar para el riego de zonas verdespúblicas, campos de golf, baldeo de calles y otras apli-caciones industriales. Cuando estas estaciones recibenaguas residuales urbanas, o aguas industriales desimilar composición, deben reducir el contenido deaquellos contaminantes regulados hasta los niveles quela legislación establece para proceder a su vertido oreutilización.

El agua residual contiene sólidos en suspensión denaturaleza orgánica o inorgánica que se separan delagua cuando circula a baja velocidad durante untiempo de retención apropiado o cuando atraviesatamices o filtros. La demanda biológica (o bioquímica)de oxígeno (DBO5) mide la cantidad de oxígeno quenecesitan los microorganismos para estabilizar, oxi-dación de los compuestos susceptibles de ser transfor-mados por procesos biológicos, el agua residual en unperiodo normalizado de 5 días. La demanda químicade oxígeno (DQO) es un parámetro que mide la can-tidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por unoxidante fuerte (dicromato potásico, en medio ácido ycon iones de plata como catalizador). Cuanto mayoresson los valores de estos parámetros peor es la calidaddel agua porque tiene mayor contendido de sustanciasreductoras. La relación entre DBO5/DQO determina labiodegradabilidad del agua residual, cuanto máspequeño es este cociente menor es la depuración quepuede lograrse con microorganismos. El nitrógeno esnecesario para la actividad biológica y contribuye alagotamiento del oxígeno y a la eutrofización del medioreceptor. En las aguas residuales el nitrógeno (20-50mg/l) se encuentra en cuatro formas básicas: nitrógenoamoniacal (amonio-amoniaco, 12-35 mg/l), nitrógenoorgánico, nitratos y nitritos. Otro componente del aguaresidual utilizado por los microorganismos en su meta-bolismo es el fósforo (5-15 mg/l) que se encuentra entres formas, ortofosfatos, fosfatos orgánicos y polifos-fatos inorgánicos. En la figura 3 se muestra una foto-grafía de una depuradora de aguas residuales urbanas yen la figura 4 el esquema correspondiente.

Es preciso que las estaciones depuradoras de aguasresiduales puedan eliminar materiales sólidos de dife-rentes tamaños y densidades, materia orgánica disueltaen el agua, nitrógeno, fósforo, y estabilizar los fangos

extraídos en las distintas operaciones minimizando lasemisiones, metano y gases responsables de olores, a laatmósfera. En las EDAR se pueden identificar treslíneas dependiendo de cuál sea la fase mayoritaria: deagua, de sólidos y de gas.

En la línea de agua se realizan varias operaciones.El pretratamiento tiene como objetivo acondicionar,mediante procesos físicos de desbaste, desarenado ydesengrasado, el agua para evitar averías o mal funcio-namiento de los equipos que configuran los procesosposteriores. El agua pasa a través de unas rejas paraeliminar los residuos de gran tamaño como plásticos,piedras, trapos, etc. La separación de materiales demenor tamaño se realiza colocando rejas finas otamices en la corriente de agua. Las operaciones dedesarenado y desengrasado pueden realizarse en elmismo equipo o en equipos separados. La arena, gravay otras materias minerales sedimentan en un tanquepor acción de la gravedad del que se evacuan a un con-tenedor. Mediante unas bombas de inyección de aire(desde el fondo), las grasas y los aceites ascienden a lasuperficie, donde son recogidas y llevadas a un pozodesde el que se bombean a su contenedor. El agua quequeda en el tanque pasa al tratamiento primario.

Con el nombre de tratamiento primario se conoce alconjunto de procesos cuya misión es separar las partí-culas en suspensión no retenidas en el pre-tratamientolo que da lugar, también, a un descenso de la DBO5 alhaber sólidos constituidos por materia orgánica biode-gradable. El nivel de reducción que se logra dependedel proceso de separación que se emplee y de las

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Figura 3. Estación depuradora de aguas residuales deLogroño. Consorcio de Aguas y Residuos de La Rioja.(www.larioja.org)

características de las aguas residuales. La sedimen-tación o decantación primaria permite separar las partí-culas de mayor densidad en el fondo de los sedimenta-dores por acción de la gravedad, acción que se facilitasi la velocidad de circulación es pequeña. La eficienciade esta etapa de separación de sólidos por decantaciónpuede aumentarse si se añaden productos químicospara favorecer la aglomeración de partículas, coagu-lantes y floculantes. La coagulación de las partículasse logra neutralizando las cargas eléctricas de loscoloides en un depósito al que, mediante una agitaciónenérgica, se incorpora el coagulante. Con la posterioradición del floculante se consigue, mediante una agi-tación suave, que las partículas descargadas se agrupenen flóculos o grumos de gran tamaño. Los sólidos sedi-mentados en el fondo del decantador primario o losproductos que se separan en la superficie pasan aformar parte de la línea de lodos y el agua tratada con-tinua hacia la siguiente etapa.

La misión del tratamiento secundario consiste enreducir, una vez que se han separado las partículas enel primario, la DBO5 del agua mediante un proceso

bilógico aerobio. En esta etapa se produce la transfor-mación de materia orgánica en sustancias no contami-nantes y la separación de los productos sólidos for-mados como resultado de la actividad biológica.Cuando el agua entra al reactor biológico en el que seproduce la degradación de la materia orgánica se debeinyectar aire para que el oxígeno llegue a los microor-ganismos (proceso aeorobio), mantener el agua encontacto con ellos durante un tiempo elevado (deter-minado por la velocidad del proceso biológico) yseparar los flóculos bacterianos (parte de la materiaorgánica se transforma en biomasa bacteriana) paraque el agua, libre de materia orgánica biodegradable,tenga la calidad exigida para su vertido o para los trata-mientos posteriores. Los diferentes procesos —fangosactivos, biodiscos, lechos bacterianos o filtros percola-dores, lagunas aireadas— con los que se efectúa estadegradación biológica, difieren en la forma de esta-blecer el contacto agua/aire/microorganismos y en elmodo de separar la biomasa formada. En todos ellos espreciso lograr un buen contacto entre el agua, los fló-culos activos y el oxígeno para que transcurra la oxi-dación biológica de los compuestos biodegradables.

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Figura 4. Esquema general de la estación depuradora de aguas residuales de Logroño. Consorcio de Aguas y Residuos de La Rioja.(www.larioja.org)

En los fangos activados la aireación se realiza conturbinas superficiales o mediante difusores de aire conlo cual los microorganismos se encuentran suspen-didos y uniformemente distribuidos en el agua. Labiomasa se separa del agua en un decantador, decan-tador secundario, y una parte del fango sedimentado serecircula al reactor para aumentar la concentración demicroorganismos y aumentar la velocidad de la depu-ración biológica. Mientras que en el proceso de fangosactivados la biomasa se encuentra en suspensión, en elde biodiscos los microorganismos se encuentranunidos al material con el que están construidos. Eltanque por el que circula el agua es semicircular ylleva incorporado un cilindro con discos sobre los queestá adherida la biomasa. Como el cilindro seencuentra parcialmente sumergido en el agua a tratar—al girar se produce un contacto alternativo de losmicroorganismos con el agua y con el aire— se lograun funcionamiento aerobio. También los lechos bacte-rianos o filtros percoladores son cultivos fijos cuyofuncionamiento se basa en el crecimiento de una capabacteriana sobre la superficie de un sólido aireado quese riega por aspersión con el agua residual. Laslagunas aireadas son estanques de poca profundidadque permiten descomponer la materia orgánica biode-gradable mediante un proceso biológico sin necesidadde aireación mecánica o difusión de aire comprimidopara aportar oxígeno. Este aporte se realiza desde laatmósfera al agua a través de la superficie de la laguna.

Cuando es necesario eliminar compuestos denitrógeno y fósforo, porque su concentración superalos valores establecidos para garantizar que no se pro-ducen efectos perjudiciales en los cursos fluviales,debe completarse el tratamiento secundario. Utilizan-do procesos biológicos o reacciones químicas seseparan del agua por formación de compuestos sólidosque contienen estos elementos o transformando loscompuestos nitrogenados en nitrógeno que se libera ala atmósfera.

Mediante el tratamiento terciario se consiguemejorar la calidad del agua procedente del tratamientosecundario, mejora necesaria cuando se pretende reuti-lizarla o cuando el lugar de vertido tiene restriccionesmás severas. La eliminación de sólidos y la desin-fección son los dos objetivos principales que debenconseguirse con las operaciones adicionales en laEDAR. El primero, retención de partículas, se logra

mediante un proceso de filtración cuyas característicasdependen del tamaño de los sólidos que es precisoseparar. El segundo, desinfección, se realiza de modosimilar al empleado en la potabilización por cloración,ozonización o ultravioleta para eliminar bacterias yvirus y para controlar el olor del agua.

A medida que se va depurando el agua residual sevan produciendo residuos sólidos, fangos primarios yfangos secundarios, que es preciso gestionar en lapropia planta. En la línea de fangos se realizan unaserie de operaciones —espesamiento, estabilización,acondicionamiento, deshidratación— para que estesubproducto se pueda utilizar para alguna aplicación odepositarlo en forma segura. El espesamiento permiteaumentar la concentración de los fangos por elimi-nación de agua ocluida. Mediante operaciones comosedimentación/flotación se logra disminuir su volumeny mejorar el comportamiento de las operaciones poste-riores. La estabilización es una operación de digestión,aerobia o anaerobia, con la que se destruyen de formaacelerada y controlada los microorganismos patógenosy se transforma la materia orgánica responsable de losmalos olores.

Trabajando en condiciones aerobias, digestoresaerobios, y en la fase de mortandad de los microorga-nismos (fase endógena) se obtiene como resultado unfango digerido y dióxido de carbono y agua. A mayortiempo de retención mayor es la eliminación demateria orgánica volátil, el descenso de los olores y ladisminución de la DBO5 del agua sobrenadante, perose dificulta la deshidratación por el aumento de com-plejidad de la materia que no se ha degrado. En losdigestores anaerobios se produce la licuefacción de lamateria orgánica —degradación a productos mássimples y solubles— la acidogénesis —transformaciónde los producto disueltos en ácidos volátiles— y meta-nogénesis en la que los ácidos se transforman en losproductos finales, gases —metano y dióxido decarbono— y sólidos estabilizados (fangos digeridos).Este proceso anaerobio facilita la deshidratación delfango, permite el aprovechamiento del gas formado,no se producen olores porque el recipiente debe estarcerrado herméticamente y con él se eliminan muchospatógenos. Sus inconvenientes se deben al mayortiempo de retención, al mayor coste de la operación, ala necesidad de lograr un equilibrio entre bacterias aci-dogénicas y metanogénicas (las bacterias metanogé-

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nicas son muy sensibles a la temperatura, pH y pre-sencia de metales).

Los fangos que sedimentan en estos digestorespasan a las siguientes etapas cuya función es continuarla eliminación de agua —métodos mecánicos de fil-tración a presión o centrifugación, métodos térmicosen eras o en secaderos— hasta lograr que su humedadsea la que requiere su destino, fertilizantes, com-postaje, valorización energética o vertido.

Los gases liberados en la línea de fangos se puedenusar para generar la energía que necesita la EDAR ycon el exceso se cogenera energía eléctrica.

6. DEPURACIÓN DE AGUASINDUSTRIALES

Aplicando una combinación de procesos fisicoquí-micos (floculación, precipitación, filtración) y pro-cesos biológicos (fangos activados, procesos de biope-lícula) se logra reducir la concentración de sólidos y decontaminantes orgánicos biodegradables hasta nivelesde concentración que permiten su vertido al alcantari-llado o a cursos fluviales naturales. Sin embargo, estastecnologías que son eficientes para aguas residualesurbanas o aguas industriales asimilables a urbanas, nopermiten reducir la cantidad de otros compuestosdisueltos como metales pesados o moléculas orgánicasno biodegradables. La contaminación del medioacuoso por este tipo de sustancias presenta tres pecu-liaridades que la hacen especialmente peligrosa:

— Toxicidad: produce efectos negativos para lasespecies que habiten el medio cuando se supe-ran determinados valores de concentración enagua o en sedimentos.

— Persistencia: los metales pesados y muchoscompuestos orgánicos no son biodegradablespor lo que permanecen en el medio durante lar-gos periodos de tiempo.

— Bio-acumulación: estas sustancias se introducenpor ingestión en la cadena trófica y se van acu-mulando en los escalones superiores.

6.1. Aguas residuales con cromo

Las actividades humanas en las que se genera elmayor volumen de residuos con metales pesados son

las explotaciones mineras, los procesos de metalurgia,la producción y aplicación de compuestos químicos, elvertido de residuos domésticos, las operaciones dedragado, etc.

Uno de los metales pesados que se emiten con ver-tidos industriales es el cromo en forma trivalente o enforma hexavalente. La mayor parte de sus aplicacionesderivan de su elevada resistencia a los agentes físicos yquímicos y de la coloración que presentan sus com-puestos, tanto en forma sólida como en disolución:procesos de electroplatinado, industria metalúrgica,industrias de papel, vidrio y refino de metales, pig-mentos y pinturas, industria textil, industria maderera,industria de curtido o tenería y otros como catálisis,fotografía, pilas, cintas magnéticas, explosivos, etc. Laforma trivalente presenta muy baja toxicidad, pero elcromo hexavalente es un metal cancerígeno. Sedispone de una gran variedad de procedimientos quepermiten reducir la concentración de cromo en elvertido de agua de estas industrias. La elección delmás apropiado depende del caudal a tratar y de lascaracterísticas del agua residual, concentración decromo, valencia del cromo, presencia de otros conta-minantes, posibilidades de recuperación del metal,etc.

Puede utilizarse la precipitación química en mediobásico para formar un lodo Cr(OH)3 que es precisoseparar del agua. Cuando el cromo se encuentra comoCr(VI) se necesita una etapa previa de reducción deCr(VI) a Cr(III) cuyo rendimiento condiciona la efi-cacia del proceso. Los costes son elevados debido alconsumo de los productos químicos empleados y a lanecesidad de gestionar los lodos formados. Laextracción con disolventes se utiliza en operaciones agran escala en las que la concentración de contami-nante es muy alta. El empleo de disolventes con unaalta selectividad hacia moléculas específicas permitesu separación de la corriente residual para su recicladoo reutilización. Una de las principales aplicaciones deesta tecnología ha sido la eliminación selectiva demetales pesados de corrientes residuales, entre los quese encuentra el cromo. Se pone en contacto la corrienteresidual con un disolvente orgánico no polar que con-tiene un agente metal-complejante insoluble en agua.Durante el contacto se produce la transferencia del iónmetálico hasta la fase orgánica que queda cargada conel metal contaminante. En un segundo contacto setransfiere el metal hasta la fase de reextracción para su

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reciclado al proceso industrial. También este procedi-miento se caracteriza porque los costes son elevadosdebido al equipamiento necesario y al gran volumen dedisolvente orgánico que en mayor o menor extensióncontamina la corriente acuosa. Cuando la concen-tración de cromo en el agua residual es pequeña, lacantidad de fase orgánica que se incorpora a la faseacuosa de alimentación, debido principalmente a susolubilidad, puede ser mayor que la cantidad de solutorecuperado.

Para disponer de tecnologías de separación másseguras, eficientes y económicas se han empleadomembranas semipermeables como barreras separa-doras de las fases en contacto, aunque el ensucia-miento de la membrana y el coste de la energía limitansu empleo en el tratamiento de aguas. La propiedadcomún a estos procesos de separación es una dife-rencia la velocidad de transporte de las distintasespecies químicas a través de la membrana. Para trataraguas con Cr se puede emplear la ósmosis inversaseguido de una unidad de evaporación del concentradoresultante y conseguir una mayor reducción devolumen. La aplicación de las tecnologías de mem-branas o de extracción con disolventes no es viablecuando la concentración del metal disuelto es pequeñapor lo que se necesita una alternativa tecnológica paraeste problema.

La adsorción o el intercambio iónico en una matrizsólida constituyen tecnologías de separación quepueden emplearse para tratar aguas con concentra-ciones bajas de soluto. Por el contario, cuando la con-centración es alta el tamaño de los equipos de sepa-ración hace inviable la economía de ambos procesosporque el volumen de sólido aumenta proporcional-mente con la concentración de contaminante. Paratratar agua que contiene bajas concentraciones decromo en disolución, el intercambio iónico es una tec-nología adecuada. Mediante este proceso, los iones dela disolución con una determinada carga son adsor-bidos por el sólido y reemplazados por cantidadesequivalentes de otros iones, no contaminantes, de lamisma carga que contiene el sólido. La separación seproduce debido a la alta afinidad de las partículas queconstituyen la matriz sólida —compuestos orgánicosde gran peso molecular que disponen de un grupoiónico intercambiable— con los iones que se deseaneliminar. Por tanto, al pasar una disolución que con-

tiene cationes de cromo a través de un lecho de resinaen forma catiónica (H ) se produce el intercambioentre el cromo y el hidrógeno de modo que en la resinaqueda retenido el cromo. A medida que la corrientecontaminada atraviesa el lecho se va produciendo lapaulatina saturación del sólido. Cuando se alcanza ungrado de saturación que no permite alcanzar el obje-tivo de separación se debe efectuar la regeneración dellecho mediante el proceso inverso, es decir, sustituir elcromo retenido en la resina por hidrógeno. El resultadofinal de las dos etapas, carga y regeneración, es unadisolución acusa libre de cromo y una disolución conelevada concentración de cromo que se utiliza comomateria prima.

6.2. Aguas residuales con productosorganoclorados

Hay un gran número de compuestos orgánicos(bifenilos, cresoles, nitrofenoles, organoclorados, bio-cidas, productos fitosanitarios) caracterizados por sutoxicidad, persistencia y bioacumulación, que estánpresentes en las aguas residuales de una gran variedadde industrias (fabricación y empleo de pesticidas,explosivos, disolventes, polímeros, papeleras, tintes ypinturas, química y petroquímica, farmacéutica), ydeben eliminarse por procedimientos adecuados antesde su vertido. Al ser compuestos refractarios a la oxi-dación por microorganismos, el tratamiento biológicoconvencional no es efectivo y es necesario emplearotras técnicas para su eliminación. Este tratamientoespecífico para eliminar compuestos orgánicos refrac-tarios debe ser aceptable para el medio ambiente ytener un coste razonable. Se dispone de dos grupos deprocedimientos entre los que puede elegirse el másapropiado en función de la naturaleza de los contami-nantes y del caudal de agua residual. En un grupo seincluyen aquellos que permiten recuperar y reutilizarlos compuestos, adsorción y extracción con disol-ventes. Al otro pertenecen los procedimientos que sebasan en la transformación de las moléculas orgánicas,principalmente mediante oxidación, en productos bio-degradables o inocuos.

La adsorción sobre carbón activo o resinas se basaen la transferencia de los contaminantes de la faselíquida a la superficie del adsorbente. El carbón activo

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tiene la ventaja, frente a otros adsorbentes, que aportasu elevada capacidad de adsorción, su inercia químicay su estabilidad térmica. Se emplea en corrientes debaja concentración de contaminantes (DQO a 2 g/L).Cuando no se regenera para su reutilización, laadsorción es un método costoso que transfiere la con-taminación del agua al adsorbente y queda convertidoen un residuo peligroso que debe gestionarse. Laextracción con disolventes es un método económico ybastante eficaz de recuperación cuando la concen-tración de contaminantes es elevada. Sin embargo, noelimina completamente los organoclorados del aguaresidual y puede causar un problema adicional de con-taminación como consecuencia de las pérdidas dedisolvente. Estas dificultades de los métodos no des-tructivos ponen de manifiesto la necesidad de utilizarmétodos más efectivos aunque no recuperen las sus-tancias presentes en el agua.

Una técnica que puede emplearse cuando la con-centración de contaminantes es elevada (DQO 100g/L) es la incineración. Su aplicación a la depuraciónde aguas residuales es costosa (instalaciones, energía)porque es necesario lograr la combustión completa deeste tipo de compuestos y evitar la emisión de conta-minantes, tipo dibendioxinas y dibenzofuranos poli-

clorados, a la atmósfera. El proceso de biodegradaciónde aguas contaminadas por organoclorados es muylento y no permite alcanzar un alto grado de elimi-nación a no ser que la concentración sea muy pequeña.Puede ser una opción adecuada cuando se acopla conun tratamiento previo que haya permitido reducir latoxicidad de las corrientes residuales a un nivel acep-table para la degradación biológica.

Con los métodos de oxidación química de com-puestos orgánicos no biodegradables disueltos en faseacuosa se pretende mineralizar el contaminante olograr una transformación a compuestos biodegra-dables. Los distintos procedimientos utilizan comoagente oxidante el radical hidroxilo (procesos de oxi-dación avanzada) o el oxígeno disuelto (oxidaciónhúmeda y oxidación supercrítica). En la figura 5 serepresenta la adecuación de las tecnologías de oxi-dación y la de adsorción en función de la DQO delagua y del caudal a tratar.

Hay un gran número de procesos de oxidaciónavanzada que se diferencian en el modo de generar elradical hidroxilo. Todos ellos transcurren en condi-ciones suaves de presión y temperatura. Están limi-tados por la concentración de contaminantes, entre 2 y

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Figura 5. Aplicación de las tecnologías de adsorción y de oxidación de compuestos orgánicos en función de la DQO y del caudal deagua residual a tratar.

10 g/L, y por la relación oxidante/contaminante; nodebe ser elevada porque a medida que aumentatambién lo hace el coste del reactivo empleado. Losprincipales procesos de oxidación avanzada son:ozono, ozono/peróxido de hidrógeno, oxígeno/radia-ción ultravioleta, ozono/radiación ultravioleta, peró-xido de hidrógeno/radiación ultravioleta, ozono/peróxido de hidrógeno/radiación ultravioleta, reactivoFenton (peróxido de hidrógeno con hierro como catali-zador), foto-Fenton, fotocatálisis (óxido de un metalsemiconductor como catalizador, excitado con radia-ción ultravioleta y oxígeno como oxidante).

En la oxidación húmeda se transforman los conta-minantes que se encuentran en disolución o suspensiónacuosa por medio del oxígeno a elevadas temperaturas(200-320ºC) y presiones (10-200 bar). La ventaja deeste procedimiento frente a la oxidación avanzada seencuentra en los costes de los reactivos. Se utilizacuando la DQO se encuentra entre 5 y 100 g/L, esdecir, baja concentración de contaminantes para laincineración y demasiado elevada para otros trata-mientos. El empleo de catalizadores, homogéneos oheterogéneos, en la oxidación húmeda pretende mejo-rar la conversión de los compuestos orgánicos, la bio-degradabilidad del efluente y reducir la temperatura ypresión de operación de modo que los costes dismi-nuyan.

Con los tratamientos de oxidación se pueden mine-ralizar completamente los compuestos organocloradosal transformarlos en dióxido de carbono, agua y HCl, oformar productos intermedios biodegradables. Sinembargo, en estos procesos es necesario utilizarequipos complejos, condiciones de temperatura ypresión elevadas, aporte de energía o de grandes canti-dades de reactivos de elevado coste. ¿Es posible desa-rrollar y aplicar procedimientos de eliminación deorganoclorados en agua con reacciones distintas a laoxidación? La hidrogenación catalítica del enlacecarbono-cloro, hidrodecloración, es una tecnologíaemergente que está experimentando un notable interéspara la eliminación de este tipo de compuestos. Esteprocedimiento es atractivo porque se puede efectuar encondiciones moderadas de presión y temperatura, norequiere consumos elevados de reactivos costosos,puede aplicarse a un amplio intervalo de concentraciónde organoclorados y los productos resultantes son bio-degradables. El catalizador es fundamental, no sólo

por su actividad sino sobre todo por su selectividad,que debe dirigir la reacción hacia el producto menostóxico y más fácilmente biodegradable, alcoholes.

7. CONCLUSIÓN

La escasez de agua es una amenaza a la que debeenfrentarse el hombre del siglo XXI. El agua dulce esun recurso finito y vulnerable, esencial para sostener lavida, el desarrollo y el medio ambiente. El ser humanoextrae un 8% del total de agua dulce renovable y seapropia del 26% de la evapotranspiración anual y del54% de las aguas de escorrentía accesibles. También elagua constituye una parte esencial para los ecosis-temas. Las presiones sobre los recursos hídricosimplican una competencia entre los requerimientoshumanos y las necesidades ecológicas. Es necesariodisponer de agua en cantidad y calidad apropiada parasatisfacer las demandas de los diferentes usuarios y delos diferentes usos.

Si se sobrepasa la capacidad de autodepuración dela naturaleza se pierde biodiversidad, se deterioran lasfuentes de alimentos y se generan costes de limpiezamuy elevados. El agua potable es uno de los recursosmás amenazados, especialmente en determinadaszonas del mundo, por los efectos negativos de laacción antrópica, del cambio climático y del creci-miento de la demanda. En los países desarrollados, laelevada utilización del agua, tanto para uso domésticocomo para actividades industriales, genera grandescantidades de agua residual que debe depurarse. A lasmedidas convencionales empleadas para controlar lacalidad de los vertidos se han incorporado ensayos bio-lógicos que permiten conocer el comportamientoambiental de efluentes complejos. Con los bioensayosse determinan los efectos interactivos que puedenocurrir cuando hay presentes varios contaminantes yse estima la importancia medioambiental de este tipode efluentes.

La investigación en el campo del tratamiento deaguas residuales ha aumentado de manera significativaen las últimas décadas debido a la creciente preocu-pación social por el problema que supone la contami-nación de este recurso. La gestión del agua en las ciu-dades es una tarea compleja que requiere la integraciónde los suministros de agua para necesidades domés-

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ticas e industriales y el control y tratamiento del aguauna vez utilizada. Como el origen del agua residualdetermina el tipo y carga de contaminantes que con-tiene, su regeneración puede abordarse con medidasintegradas en el propio proceso donde se origina suliberación o con técnicas de final de línea. Las pri-meras son específicas de los procesos de producción yestán limitadas por motivos económicos o por las difi-cultades que deberían superarse para adaptar las insta-

laciones existentes. Lo mismo que ocurre con lasaguas del sector doméstico, muchos sectores indus-triales recurren a las segundas para tratar las corrientesresiduales que generan con el fin de reducir la cargacontaminante. A las técnicas que permiten separarsólidos en suspensión, líquidos inmiscibles o com-puestos biodegradables deben incorporarse técnicascapaces de eliminar los compuestos responsables de lano biodegradabilidad.

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