REUTILIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES: UN RECURSO ALTERNATIVO. TRATAMIENTOS DE REGENERACIÓN.

Joan Sanz Ataz, Leopoldo Guerrero Gallego, Juan Manuel Ortega Díaz

VEOLIA Water Systems Ibérica. Dirección Técnica.

E-mail: joan.sanz@veoliawater.com

INTRODUCCIÓN

La reutilización de aguas residuales de origen urbano, sometidas a un tratamiento de

depuración en las Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDAR) y

posteriormente a una reducción de sólidos en suspensión y desinfección mediante

tratamiento terciario, constituye un recurso hidráulico alternativo (Figura 1) perfectamente

aplicable y ensayado para el riego de superficies con requerimientos especiales, tales

como terrenos agrícolas, invernaderos, campos de golf, parques y jardines, así como

aplicable a otros usos (limpieza, vehiculado de materia, etc.) no directamente

relacionados con el consumo humano, y de especial interés para asegurar el suministro

en estaciones climáticas secas, o en períodos prolongados de escasa pluviometría y

particularmente en climas semiáridos (Asano et al., 1994).

La recarga de acuíferos por infiltración/percolación o bien por inyección directa para su

posterior extracción y tratamiento como agua de consumo humano ó como control de la

intrusión de aguas saladas, fija los criterios de calidad más rigurosos para las aguas

regeneradas (Asano et al, 1992; Crook et al, 1990). La presencia de microcontaminantes

orgánicos emergentes plantea a su vez una constante revisión de los criterios de calidad

del agua regenerada para la recarga de acuíferos y de los tratamientos más adecuados

para su control.(Tsuchihashi et al, 2002).

Diferentes factores ambientales y sociales pueden promover la demanda de la

regeneración de las aguas residuales depuradas y su posterior reutilización sustituyendo

otros recursos hídricos convencionales (Figura 2).

Figura 1. Gestión integrada del ciclo del agua. Recursos alternativos

Figura 2. Factores que promueven la reutilización de agua regenerada

PROCESOS DE REGENERACIÓN DE AGUAS RESIDUALES

La selección de los procesos y tecnologías necesarios para la regeneración de las aguas

residuales implica el conocimiento previo del tipo de efluentes a tratar (primario,

secundario o terciario), su calidad en el tiempo y la calidad exigida a el agua regenerada

(Asano, 1998). Aunque, generalmente, en nuestro país se regeneran efluentes

secundarios o terciarios, se considera que también, desde el punto de vista de

tecnologías, el tratamiento de los efluentes primarios directamente para obtener aguas

adecuadas por el riego conocidos como tratamientos primarios avanzados.

La calidad exigida al agua regenerada referida a los diferentes usos (Tabla 1), si bien

presenta todavía cierta incertidumbre desde el punto de vista del marco legislativo

catalán, español y europeo debido a la carencia de la promulgación de las

recomendaciones o borradores existentes (Cataluña y Estado Español,

respectivamente), está referida al uso habitual de las recomendaciones y borradores

(ACA, Cedex) y de las referencias al título 22 de California y las recomendaciones de la

OMS y la USEPA .

Tabla 1. Usos asociados a tipos de agua regenerada (Agencia Catalana del Agua)

Los procesos empleados en la regeneración están orientados principalmente a la

reducción de la materia coloidal y en suspensión por su incidencia sobre la desinfección

y a los microorganismos patógenos y parásitos. Según la finalidad de la reutilización

también se considera la reducción de sales solubles, microcontaminantes inorgánicos y

orgánicos y parámetros agrónomos. Aun así, también se contempla la formación de

subproductos propios de los procesos de oxidación y desinfección.

La selección de los procesos unitarios presentan a la vez sus limitaciones técnicas,

económicas y ambientales.

Si bien inicialmente los efluentes secundarios han sido tratados con la tecnología

disponible por agua potable con un cierto concepto de diseñar una ETAP después de la

EDAR con vistas a cumplir las exigencias de calidad sanitaria del agua regenerada, con

el tiempo se ha ido considerando los efluentes como una matriz específica de agua a

tratar. Con este planteamiento se han modificado y adaptado las tecnologías existentes,

desarrollando tecnologías específicas de regeneración y se han conectado con el resto

del ciclo integral del agua.

Los últimos años se ha profundizado en el análisis de la composición orgánica de los

efluentes secundarios (EfOM, effluent organic matter) y su papel en los mecanismos de

ensuciamiento tanto de los sistemas de filtración superficial y en profundidad como en los

sistemas de separación por membranas. También el interés en nuevos indicadores

microbiológicos, en la presencia de patógenos y parásitos obligan a evaluar desde otras

orientaciones los procesos de la regeneración de le agua depurada. De forma

emergente, también aparecen a la comunidad científica las consideraciones sobre la

presencia de microcontaminantes orgánicos sintéticos o xenobióticos (Ongerth y Khan,

2004) en los efluentes secundarios y los subproductos generados en el propio proceso

de regeneración en la reutilización dirigida al reuso potable indirecto como son la recarga

de acuíferos. Esta última reutilización y el objetivo de reducción de la salinidad a el agua

regenerada han promovido entre otros factores el desarrollo de los sistemas integrales

de membranas.

Coagulación – floculación y sedimentación

Los sistemas de separación sólido-líquido en base a la coagulación y floculación y

decantación lamelar son aplicados tanto en los casos dónde el contenido de materia en

suspensión impide la filtración directa de los efluentes secundarios como en los procesos

de clarificación previa a los sistemas de membranas. Las mejoras en estos sistemas se

encuentran en los cambios de diseño de las cámaras internas y la aplicación de

elementos como la microarena empleada en el proceso Actiflo® (fotografía 1) que

aumentan las velocidades específicas manteniendo valores bajos de turbidez (Metcalf &

Eddy, 2003).

Fotografía 1. Sistema Actiflo® instalado en Archêres (París, Francia)

Filtración

Dentro del proceso de filtración, tanto si es superficial como si es en profundidad,

aparece como punto clave la aplicación de la distribución de medida de partícula a los

efluentes secundarios (Adin, 1999) y del conocimiento de los mecanismos de filtración de

cada sistema.

Filtración superficial

La filtración superficial mediante tamices (fotografía 2) con intervalos de luz de 10 a 20

µm permite la reducción de la carga de sólidos en suspensión previa a la desinfección

con luz ultravioleta según el reconocimiento del Título 22 de California. En este proceso

la eficacia de filtración depende de la curva de distribución de la medida de la partícula.

La filtración de precapa también se presenta como un elemento disponible en lo

pretratamiento de los sistemas de membranas.

Fotografía 2. Sistema de filtración superficial con microtamices Discfilter

Filtración en medio granular

La filtración en profundidad abarca desde filtros por gravedad o a presión propios de

tratamiento de aguas prepotables que han evolucionado para tratar efluentes

secundarios como diseños específicos para la regeneración (Michel, T, 1998; Guerrero et

al., 2003).

De nuevo se debe considerar claves las características de medida, formas y naturaleza

de las partículas de los efluentes secundarios en relación a la eficiencia del proceso

(Kaminsky et al., 1997). El uso de los sistemas de membranas de ósmosis inversa y

nanofiltración ha dado lugar al estudio de la mejora de los procesos de filtración que

forman parte de los pretratamientos. Así se plantean sistemas de filtración con doble

etapa tanto en filtros abiertos como en filtros a presión con objeto de obtener valores de

los índices de ensuciamiento SDI o MFI adecuados por los sistemas de membranas.

Separación por membranas

El proceso de separación por membranas permite la reducción de la materia en

suspensión y coloidal y de los compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos en función

de la membrana seleccionada. Considerando la medida del poro o del peso molecular del

corte, las membranas se clasifican en cuatro grupos: microfiltración (0,1 µm ó 500.000

dalton), ultrafiltración (0,01 µm ó 20.000 dalton), nanofiltración (0,001 µm ó 200 dalton) y

ósmosis inversa (0,0001 µm ó <100 dalton) (Mulder, 2000). La microfiltración y la

ultrafiltración están orientadas habitualmente a la reducción de carga microbiológica y al

pretratamiento de nanofiltración o de ósmosis inversa en sistemas integrales de

membrana (fotografía 3). La nanofiltración y la ósmosis inversa se aplican por la

reducción del contenido en las sales disueltas y separación de microcontaminantes

orgánicos.

Fotografía 3. Sistema integrado de membranas para suministro de agua regenerada

Microfiltración y ultrafiltración

La aplicación de estos procesos de separación por membrana a los efluentes

secundarios presenta como punto crítico el mantenimiento de los valores de

permeabilidad en las diferentes condiciones de operación y por lo tanto el control de le

ensuciamiento de las membranas y su limpieza por medios físicos y químicos. La

aplicación de técnicas analíticas como la cromatografía líquida de exclusión con detector

doble de carbono orgánico disuelto y absorbancia ultravioleta (LC-OCD) (Ernst et al.,

2000) permiten caracterizar las diferentes fracciones orgánicas presentes y su relación

con le ensuciamiento de las membranas (Laabs et al., 2003). La identificación de las

fracciones orgánicas por LC-OCD se combinan a la vez con el análisis de superficies

(Jarusutthirak et al., 2002). La medida del potencial de ensuciamiento de los efluentes

secundarios con parámetros tradicionales empleados en agua potable suele ser

insuficiente por dar suficiente información para explicar la pérdida de permeabilidad

(Roorda y Van der Graaf, 2001) y por lo tanto hace falta desarrollar nuevos ensayos para

caracterizar la filtrabilidad de los efluentes enfrente de las membranas que permitan

predecir la evolución de la permeabilidad y de le ensuciamiento (Roorda, 2004).

Como reducción del impacto del ensuciamiento a los procesos de microfiltración o

ultrafiltración se plantean la floculación en línea y adsorción (Guo et al., 2005) y la

formación de precapa como en los sistemas de tratamiento de aguas superficiales

(Galjaard, 2001).

Nanofiltración y ósmosis inversa

Aunque desde 1975 operó la conocida planta de regeneración de Water Factory 21 con

membranas de acetato de celulosa de ósmosis inversa, durante mucho años no se

pudieron aplicar membranas al tratamiento de los efluentes secundarios debido a los

rápidos ensuciamientos de las mismas. El desarrollo y la aplicación de membranas de

microfiltración y ultrafiltración, hacia el principio de los años 90, pensadas como

pretratamiento permitió el uso razonable de la ósmosis inversa (Figura 3). También en

estos años se han desarrollado o mejorado las membranas en un proceso de adaptación

a las características de los efluentes secundarios. Así, han aparecido membranas

específicas resistentes a el ensuciamiento por modificación de sus propiedades

superficiales como son el potencial zeta, rugosidad, etc., con objeto de reducir le

adhesión bacteriana (Redondo y Lomax, 2001) y de los compuestos orgánicos de alto

peso molecular. La combinación de pretratamientos en base a microfiltración y

ultrafiltración se combinan con las membranas hidrofílicas con menor afinidad para las

moléculas orgánicas (Wilf y Alto, 2000). Como en el tratamiento de aguas superficiales y

de mar, el punto crítico es el control del ensuciamiento microbiológico, coloidal,

inorgánico y orgánico y el uso de buenas herramientas de diagnóstico y prevención

(Vrouwenvelder et al., 2003).

De estas cuatro causas de ensuciamiento, la más comprometida es la formación de

biopelículas sobre las membranas y por lo tanto buena parte de la búsqueda se

encuentra en el campo de la prevención del ensuciamiento microbiológico

(Vrouwenvelder y Van der Kooij, 2001). En todos los casos se precisa tomar una posición

proactiva ante la evolución de los datos de operación una vez que los sistemas están en

servicio y presentan síntomas de ensuciamiento (Huiting et al., 2001).

Figura 3. Sistema integrado de membranas para obtención de agua regenerada tipo A (ACA)

Biorreactores de membrana

Una de las más prometedoras tecnologías dentro del campo de las mejoras en el

tratamiento de las aguas residuales urbanas e industriales son los sistemas combinados

de tratamiento biológico y filtración con membranas conocidos como biorreactores de

membrana (Buisson et al., 1998). Con esta configuración (fotografía 4), el agua depurada

obtenida presenta una calidad de agua regenerada previa a la desinfección con valores

de sólidos en suspensión < 5 mg/l, turbidez inferior a 0,5 UNF, reducción en Coliformes

fecales >6,2 log y en bacteriófagos F-RNA >3,8 log (Tazi-Pain et al., 2002).

Como en los otras sistemas con membranas, el obstáculo principal es el mantenimiento

de la permeabilidad debido a el ensuciamiento y la eficiencia de las limpiezas físicas y

químicas (Lim y Bai, 2003). De nuevo, el punto clave es conocer los compuestos

responsables del ensuciamiento de la membrana (Rosenberg et al., 2004) y los trabajos

de modelización (Lee et al., 2002).

El proceso combinado de bioreactor de membrana y ósmosis inversa ha sido ensayado

con la finalidad de obtener una calidad suficiente para plantearla como una nueva fuente

de suministro de agua potable dentro del reúso potable indirecto (Lozier y Fernández,

2000).

Fotografía 4. Sistema de biorreactor de membrana Biosep®

Desinfección

Luz ultravioleta

La aplicación de la luz ultravioleta a la desinfección de los efluentes regenerados que

inicialmente empleaba lámparas de baja presión y baja intensidad se ha ampliado con la

posibilidad del uso de lámparas de baja presión y alta intensidad y de media presión. En

todo caso, el conocimiento sobre la inactivación de los microorganismos presentes a el

agua regenerada y su comparativa con el proceso de desinfección por cloro ha

aumentado en los últimos años (Darby et al., 1995). A la vez, los diseños de los reactores

(fotografía 5) se han modernizado y optimizado considerando los valores de parámetros

que afectan a la eficiencia como son la medida de las partículas y la absorbancia a 254

nm y como varían estos parámetros por los diferentes tratamientos previos a la

desinfección por luz ultravioleta (Darby et al., 1999).

Fotografía 5. Sistema de desinfección en canal abierto por luz ultravioleta UV-Star®

Cloración y cloraminación

El uso de los derivados del cloro como agente desinfectante en combinación con la luz

ultravioleta da lugar a la posibilidad de reducir las dosis de cloro empleadas y en el caso

de aguas regeneradas con presencia de nitrógeno amoniacal al tratamiento por debajo

del punto de ruptura minimizando la formación de trihalometanos.

Tratamientos específicos

Cuando se plantea la reducción de la concentración de microcontaminantes específicos

cómo pueden ser los compuestos orgánicos volátiles, N-Nitrosodimetilamina (NDMA),

productos farmacéuticos, etc., se pueden considerar diferentes tratamientos como son el

intercambio iónico, la adsorción sobre carbón activo, stripping o la oxidación avanzada

(Metcalf & Eddy, 2003).

Ensayos en planta piloto

Son una herramienta clave del diseño completo del proceso de regeneración (fotografía

6). Se debe contemplar el proceso de forma integral, desde el efluente secundario a

regenerar hasta el uso final del agua regenerada en la reutilización. En sistemas

integrales de membranas, permiten evaluar en conjunto los pretratamientos

(microfiltración y ultrafiltración) con el proceso final de separación por membrana

(nanofiltración y ósmosis inversa). También permiten introducir mejoras de proceso en

los pretratamientos convencionales y comparar diferentes alternativas basadas en

membranas (Letona et al, 2004).

Fotografía 6. Planta piloto de tratamiento de regeneración de aguas

CONCLUSIONES

Las tecnologías aplicadas a la regeneración evolucionan hacia una mayor fiabilidad con

el aumento de la reutilización planificada del agua, la definición de estándares de calidad

por el agua regenerada, el conocimiento adquirido por los usuarios y los ensayos en la

planta piloto.

El diseño de los sistemas de tratamiento se adaptan cada vez más a las características

de los efluentes en la medida que se conocen los mecanismos de ensuciamiento y los

compuestos relacionados con este.

La selección del tratamiento para la regeneración de las aguas residuales depuradas es

un compromiso entre las calidades de entrada y salida, las operaciones unitarias

disponibles y la fiabilidad esperada, que en todo momento se tienen que considerar como

parte de un todo y no de forma separada.

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