El tratamiento secundario (principalmente tratamiento biológico de aguas residuales ) es la eliminación de materia orgánica biodegradable (en solución o suspensión) de las aguas residuales o tipos similares de aguas residuales . [1] : 11 El objetivo es lograr un cierto grado de calidad del efluente en una planta de tratamiento de aguas residuales adecuado para la opción de eliminación o reutilización prevista. Un paso de " tratamiento primario " a menudo precede al tratamiento secundario, mediante el cual se utiliza la separación de fases físicas para eliminar los sólidos sedimentables . Durante el tratamiento secundario, se utilizan procesos biológicos para eliminar la materia orgánica disuelta y suspendida medida como demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Estos procesos son realizados por microorganismos en un proceso aeróbico o anaeróbico controlado según la tecnología de tratamiento . Las bacterias y los protozoos consumen contaminantes orgánicos solubles biodegradables (por ejemplo , azúcares , grasas y moléculas orgánicas de carbono de cadena corta de desechos humanos, desechos alimentarios , jabones y detergentes) mientras se reproducen para formar células de sólidos biológicos. El tratamiento secundario se usa ampliamente en el tratamiento de aguas residuales y también es aplicable a muchas aguas residuales agrícolas e industriales .
Los sistemas de tratamiento secundario se clasifican como sistemas de película fija o de crecimiento suspendido, y como aeróbicos frente a anaeróbicos. Los sistemas de película fija o de crecimiento adherido incluyen filtros percoladores , humedales artificiales , biotorres y contactores biológicos rotativos , donde la biomasa crece en medios y las aguas residuales pasan sobre su superficie. [2] : 11–13 El principio de película fija se ha desarrollado aún más en reactores de biopelícula de lecho móvil (MBBR) [3] yProcesos de lodos activados de película fija integrados (IFAS). [4] Los sistemas de crecimiento suspendido incluyen lodos activados , que es un sistema de tratamiento aeróbico, basado en el mantenimiento y recirculación de una biomasa compleja compuesta por microorganismos ( bacterias y protozoos ) capaces de absorber y adsorber la materia orgánica transportada en las aguas residuales. También se están utilizando humedales artificiales . Un ejemplo de un sistema de tratamiento secundario anaeróbico es el reactor anaeróbico de manta de lodos de flujo ascendente .
Los sistemas de película fija son más capaces de hacer frente a cambios drásticos en la cantidad de material biológico y pueden proporcionar mayores tasas de eliminación de material orgánico y sólidos suspendidos que los sistemas de crecimiento suspendido. [2] : 11–13 La mayoría de los sistemas de tratamiento secundario aeróbico incluyen un clarificador secundario para sedimentar y separar el material biológico en flóculos o filtrado cultivado en el biorreactor de tratamiento secundario.
La sedimentación del tratamiento primario elimina aproximadamente la mitad de los sólidos y un tercio de la DBO de las aguas residuales sin tratar. [7] El tratamiento secundario se define como la "eliminación de materia orgánica biodegradable (en solución o suspensión) y sólidos suspendidos. La desinfección también se incluye típicamente en la definición de tratamiento secundario convencional". [1] : 11 Algunos ingenieros sanitarios consideran que la eliminación de nutrientes biológicos es un tratamiento secundario y otros lo consideran un tratamiento terciario. [1] : 11
Después de este tipo de tratamiento, las aguas residuales pueden denominarse aguas residuales tratadas secundariamente. [ cita requerida ]
Los sistemas de tratamiento secundario se clasifican en sistemas de película fija o de crecimiento suspendido. Existe una gran cantidad de procesos de tratamiento secundario, consulte Lista de tecnologías de tratamiento de aguas residuales . A continuación se explican los principales.
En plantas más antiguas y aquellas que reciben cargas variables, se utilizan lechos filtrantes percoladores donde el licor de depuradora sedimentado se esparce sobre la superficie de un lecho hecho de coque (carbón carbonizado), virutas de piedra caliza o medios plásticos especialmente fabricados. Dichos medios deben tener grandes áreas de superficie para soportar las biopelículas que se forman. El licor se distribuye típicamente a través de brazos rociadores perforados. El licor distribuido gotea a través del lecho y se recoge en desagües en la base. Estos desagües también proporcionan una fuente de aire que se filtra a través del lecho, manteniéndolo aeróbico. Las biopelículas de bacterias, protozoos y hongos se forman en las superficies de los medios y comen o reducen de otra manera el contenido orgánico. [8] : 12 El filtro elimina un pequeño porcentaje de la materia orgánica suspendida, mientras que la mayoría de la materia orgánica apoya la reproducción de microorganismos y el crecimiento celular a partir de la oxidación biológica y la nitrificación que tienen lugar en el filtro. Con esta oxidación y nitrificación aeróbica, los sólidos orgánicos se convierten en biopelículas que son rociadas por larvas de insectos, caracoles y gusanos que ayudan a mantener un espesor óptimo. La sobrecarga de los lechos puede aumentar el espesor de la biopelícula, lo que genera condiciones anaeróbicas y posible bioobstrucción del medio filtrante y encharcamiento en la superficie. [9]
El lodo activado es un método común de crecimiento suspendido de tratamiento secundario. Las plantas de lodos activados abarcan una variedad de mecanismos y procesos que utilizan oxígeno disuelto para promover el crecimiento de flóculos biológicos que eliminan sustancialmente el material orgánico. [8] : 12–13 El flóculo biológico es un ecosistema de biota viva que subsiste con nutrientes del efluente del clarificador primario entrante. Estos sólidos disueltos, en su mayoría carbonosos, se someten a aireación para descomponerse y oxidarse biológicamente a dióxido de carbono o convertirse en flóculos biológicos adicionales de microorganismos que se reproducen. Los sólidos disueltos nitrogenados (aminoácidos, amoníaco , etc.) se convierten de manera similar en flóculos biológicos u oxidados por el flóculo a nitritos , nitratos y, en algunos procesos, a gas nitrógeno a través de la desnitrificación . Si bien la desnitrificación se fomenta en algunos procesos de tratamiento, la desnitrificación a menudo perjudica la sedimentación del flóculo, lo que causa un efluente de mala calidad en muchas plantas de aireación suspendida. El desbordamiento de la cámara de mezcla de lodos activados se envía a un clarificador donde el flóculo biológico suspendido se sedimenta mientras el agua tratada pasa al tratamiento terciario o la desinfección. El flóculo sedimentado se devuelve al estanque de mezcla para continuar creciendo en el efluente primario. Como en la mayoría de los ecosistemas, los cambios de población entre la biota de lodos activados pueden reducir la eficiencia del tratamiento. Nocardia , una espuma marrón flotante a veces identificada erróneamente como hongo de alcantarilla , es el más conocido de muchos hongos y protistas diferentes que pueden sobrepoblar el flóculo y causar alteraciones en el proceso. Las concentraciones elevadas de desechos tóxicos, incluidos pesticidas, desechos de enchapado de metales industriales o un pH extremo, pueden matar la biota de un ecosistema de reactor de lodos activados. [18]
Un tipo de sistema que combina el tratamiento secundario y la sedimentación es el lodo activado cíclico (CASSBR, por sus siglas en inglés) o reactor discontinuo secuencial (SBR, por sus siglas en inglés). Normalmente, el lodo activado se mezcla con las aguas residuales entrantes sin tratar y luego se mezcla y se airea. El lodo sedimentado se escurre y se vuelve a airear antes de que una parte se devuelva a la red de captación. [19]
La desventaja del proceso CASSBR es que requiere un control preciso de los tiempos, la mezcla y la aireación. Esta precisión se logra normalmente con controles informáticos vinculados a sensores. Un sistema tan complejo y frágil no es adecuado para lugares donde los controles pueden ser poco fiables, estar mal mantenidos o donde el suministro de energía puede ser intermitente. [ cita requerida ]
Las plantas de paquetes de aireación extendida utilizan cuencas separadas para la aireación y la sedimentación, y son algo más grandes que las plantas SBR con una sensibilidad de tiempo reducida. [23]
Los biorreactores de membrana (MBR) son sistemas de lodos activados que utilizan un proceso de separación de fases sólido-líquido mediante membranas . El componente de membrana utiliza membranas de microfiltración o ultrafiltración de baja presión y elimina la necesidad de un clarificador o filtración secundaria. Las membranas suelen estar sumergidas en el tanque de aireación; sin embargo, algunas aplicaciones utilizan un tanque de membrana independiente. Uno de los beneficios clave de un sistema MBR es que supera de manera efectiva las limitaciones asociadas con la sedimentación deficiente de lodos en los procesos convencionales de lodos activados (CAS). La tecnología permite la operación del biorreactor con una concentración de sólidos suspendidos en licor mixto (MLSS) considerablemente mayor que los sistemas CAS, que están limitados por la sedimentación de lodos. El proceso normalmente se opera con MLSS en el rango de 8000 a 12 000 mg/L, mientras que los CAS se operan en el rango de 2000 a 3000 mg/L. La elevada concentración de biomasa en el proceso MBR permite una eliminación muy eficaz de materiales biodegradables tanto solubles como particulados a tasas de carga más altas. Por lo tanto, los tiempos de retención de lodos más prolongados, que suelen superar los 15 días, garantizan una nitrificación completa incluso en climas extremadamente fríos.
El costo de construir y operar un MBR es a menudo más alto que el de los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales. Los filtros de membrana pueden quedar obstruidos por la grasa o desgastados por la arena en suspensión y carecen de la flexibilidad de un clarificador para dejar pasar los caudales máximos. Sin embargo, la tecnología se ha vuelto cada vez más popular para los flujos de desechos pretratados de manera confiable y ha ganado una mayor aceptación donde se han controlado la infiltración y la entrada de agua, y los costos del ciclo de vida han estado disminuyendo de manera constante. El pequeño tamaño de los sistemas MBR y el efluente de alta calidad que producen los hacen particularmente útiles para aplicaciones de reutilización de agua . [24]
Los lodos granulares aeróbicos se pueden formar aplicando condiciones de proceso específicas que favorezcan a los organismos de crecimiento lento, como los PAO (organismos acumuladores de polifosfato) y los GAO (organismos acumuladores de glucógeno). Otra parte clave de la granulación es el desecho selectivo, mediante el cual los lodos de sedimentación lenta con forma de flóculo se descargan como lodos residuales y se retiene la biomasa de sedimentación más rápida. Este proceso se ha comercializado como proceso Nereda . [25]
Las lagunas aireadas son un método de tratamiento secundario de baja tecnología de crecimiento suspendido que utiliza aireadores accionados por motor que flotan en la superficie del agua para aumentar la transferencia de oxígeno atmosférico a la laguna y mezclar el contenido de la misma. Los aireadores de superficie flotantes suelen estar clasificados para suministrar la cantidad de aire equivalente a 1,8 a 2,7 kg O 2 / kW·h . Las lagunas aireadas proporcionan una mezcla menos efectiva que los sistemas convencionales de lodos activados y no alcanzan el mismo nivel de rendimiento. Las cuencas pueden variar en profundidad de 1,5 a 5,0 metros. Las cuencas aireadas de superficie logran una eliminación del 80 al 90 por ciento de la DBO con tiempos de retención de 1 a 10 días. [26] Muchos sistemas de alcantarillado municipales pequeños en los Estados Unidos (1 millón de galones/día o menos) utilizan lagunas aireadas. [27]
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) definió el tratamiento secundario basándose en el desempeño observado en biorreactores de finales del siglo XX que trataban aguas residuales municipales típicas de los Estados Unidos. [31] Se espera que las aguas residuales tratadas secundariamente produzcan efluentes con un promedio mensual de menos de 30 mg/L de DBO y menos de 30 mg/L de sólidos suspendidos . Los promedios semanales pueden ser hasta un 50 por ciento más altos. Se espera que una planta de tratamiento de aguas residuales que proporcione tratamiento primario y secundario elimine al menos el 85 por ciento de la DBO y los sólidos suspendidos de las aguas residuales domésticas. Las regulaciones de la EPA describen los estanques de estabilización como proveedores de tratamiento equivalente al tratamiento secundario que elimina el 65 por ciento de la DBO y los sólidos suspendidos de las aguas residuales entrantes y descarga aproximadamente un 50 por ciento más de concentraciones de efluentes que los biorreactores modernos. Las regulaciones también reconocen la dificultad de cumplir con los porcentajes de eliminación especificados de alcantarillas combinadas , aguas residuales industriales diluidas o infiltración/entrada . [32]
Las alteraciones del proceso son disminuciones temporales en el rendimiento de la planta de tratamiento causadas por cambios significativos en la población dentro del ecosistema de tratamiento secundario. [33] Las condiciones que probablemente generen alteraciones incluyen sustancias químicas tóxicas y concentraciones inusualmente altas o bajas de DBO de desechos orgánicos que proporcionan alimento al ecosistema del biorreactor.
Las medidas que crean cargas uniformes de aguas residuales tienden a reducir la probabilidad de alteraciones. Los biorreactores de tratamiento secundario de película fija o de crecimiento adherido son similares a un modelo de reactor de flujo tapón que hace circular agua sobre superficies colonizadas por biopelícula , mientras que los biorreactores de crecimiento suspendido se asemejan a un reactor de tanque agitado continuo que mantiene los microorganismos suspendidos mientras se trata el agua. Los biorreactores de tratamiento secundario pueden ir seguidos de una separación de fases físicas para eliminar los sólidos biológicos del agua tratada. La duración de la alteración de los sistemas de tratamiento secundario de película fija puede ser mayor debido al tiempo necesario para recolonizar las superficies de tratamiento. Los ecosistemas de crecimiento suspendido pueden restaurarse a partir de un reservorio de población. Los sistemas de reciclaje de lodos activados proporcionan un reservorio integrado si se detectan condiciones alteradas a tiempo para tomar medidas correctivas. El reciclaje de lodos puede apagarse temporalmente para evitar el lavado de lodos durante los flujos pico de tormenta cuando la dilución mantiene bajas las concentraciones de DBO. Los sistemas de lodos activados de crecimiento suspendido pueden funcionar en un espacio más pequeño que los sistemas de filtro percolador de película fija que tratan la misma cantidad de agua; Pero los sistemas de película fija son más capaces de hacer frente a cambios drásticos en la cantidad de material biológico y pueden proporcionar mayores tasas de eliminación de material orgánico y sólidos suspendidos que los sistemas de crecimiento suspendido. [8] : 11–13
Las variaciones en el caudal de las aguas residuales pueden reducirse limitando la recogida de aguas pluviales por el sistema de alcantarillado y exigiendo a las instalaciones industriales que descarguen los residuos de los procesos por lotes en el alcantarillado durante un intervalo de tiempo en lugar de hacerlo inmediatamente después de su creación. La descarga de residuos industriales orgánicos adecuados puede programarse para sostener el ecosistema de tratamiento secundario durante los períodos de bajo caudal de residuos residenciales. [34] Los sistemas de tratamiento de aguas residuales que experimentan fluctuaciones en la carga de residuos durante las vacaciones pueden proporcionar alimentos alternativos para sostener los ecosistemas de tratamiento secundario durante los períodos de uso reducido. Las pequeñas instalaciones pueden preparar una solución de azúcares solubles. Otras pueden encontrar residuos agrícolas compatibles u ofrecer incentivos de eliminación a los bombeadores de fosas sépticas durante los períodos de bajo uso.
Los desechos que contienen concentraciones de biocidas que exceden el nivel de tolerancia del ecosistema para el tratamiento secundario pueden matar una fracción importante de una o más especies importantes del ecosistema. La reducción de la DBO que normalmente logra esa especie cesa temporalmente hasta que otras especies alcanzan una población adecuada para utilizar esa fuente de alimento, o la población original se recupera a medida que disminuyen las concentraciones de biocidas. [35]
Los desechos que contienen concentraciones de DBO inusualmente bajas pueden no ser suficientes para sustentar la población de tratamiento secundario necesaria para concentraciones normales de desechos. La población reducida que sobrevive al evento de hambruna puede ser incapaz de utilizar completamente la DBO disponible cuando las cargas de desechos vuelvan a la normalidad. La dilución puede ser causada por la adición de grandes volúmenes de agua relativamente no contaminada, como la escorrentía de aguas pluviales, en un alcantarillado combinado. Las plantas de tratamiento de aguas residuales más pequeñas pueden experimentar dilución debido a descargas de agua de refrigeración, fugas importantes de plomería, extinción de incendios o vaciado de piscinas grandes.
Un problema similar ocurre cuando las concentraciones de DBO caen cuando el flujo bajo aumenta el tiempo de residencia de los desechos dentro del biorreactor de tratamiento secundario. Los ecosistemas de tratamiento secundario de las comunidades universitarias aclimatadas a las fluctuaciones de la carga de desechos de los ciclos de trabajo/sueño de los estudiantes pueden tener dificultades para sobrevivir a las vacaciones escolares. Los sistemas de tratamiento secundario acostumbrados a los ciclos de producción rutinarios de las instalaciones industriales pueden tener dificultades para sobrevivir al cierre de la planta industrial. Las poblaciones de especies que se alimentan de los desechos entrantes disminuyen inicialmente a medida que disminuye la concentración de esas fuentes de alimento. La disminución de la población continúa a medida que las poblaciones de depredadores del ecosistema compiten por una población en declive de organismos de nivel trófico inferior . [36]
Las altas concentraciones de DBO inicialmente exceden la capacidad del ecosistema de tratamiento secundario para utilizar los alimentos disponibles. Las poblaciones de organismos aeróbicos del ecosistema aumentan hasta que se alcanzan los límites de transferencia de oxígeno del biorreactor de tratamiento secundario. Las poblaciones del ecosistema de tratamiento secundario pueden cambiar hacia especies con menores requerimientos de oxígeno, pero el hecho de que esas especies no utilicen algunas fuentes de alimento puede producir mayores concentraciones de DBO en el efluente. Aumentos más extremos en las concentraciones de DBO pueden hacer caer las concentraciones de oxígeno antes de que la población del ecosistema de tratamiento secundario pueda adaptarse y causar una disminución abrupta de la población entre las especies importantes. La eficiencia normal de eliminación de DBO no se restablecerá hasta que las poblaciones de especies aeróbicas se recuperen después de que las concentraciones de oxígeno aumenten a la normalidad.
Los procesos de oxidación biológica son sensibles a la temperatura y, entre 0 °C y 40 °C, la velocidad de las reacciones biológicas aumenta con la temperatura. La mayoría de los recipientes con aireación superficial funcionan a temperaturas entre 4 °C y 32 °C. [26]
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