El objetivo de este tipo de tratamientos es la reducción de la concentración de MES, la disminución de la turbiedad y el aumento de la transmitancia a 254 nm. Los procesos unitarios normalmente utilizados para lograr estos objetivos son: 1) la coagulación, 2) la floculación, 3) la decantación, y 4) la filtración.
En la actualidad, los tratamientos físico-químicos más utilizados para la regeneración de agua son: 1) el tratamiento completo, 2) la filtración directa, y 3) la filtración por contacto.
El tratamiento completo está formado por los cuatro procesos básicos anteriores, es decir, la coagulación, la floculación, la decantación y la filtración. Se realiza cuando el efluente secundario es de una calidad muy baja.
La filtración directa, llevada a cabo sin el proceso de decantación, es recomendable para aquellas situaciones donde el efluente secundario tiene una calidad muy buena. En este caso, con un efluente de calidad buena y estable se puede obtener una calidad de agua regenerada similar a la del tratamiento completo. Su principal ventaja es el ahorro en la inversión y su desventaja es la menor fiabilidad del proceso.
La filtración por contacto consiste en la inyección de coagulante en línea para luego pasar directamente a la filtración. En este caso la dosis de coagulante es mucho menor que en el tratamiento completo ya que unos flóculos de gran tamaño colmatarían rápidamente el filtro. La ausencia de floculadores y de decantadores requiere necesariamente un efluente secundario de gran calidad. En general, para aplicar la filtración por contacto y obtener un efluente filtrado con una turbiedad menor que 2 UNT, se requiere un efluente secundario con una turbiedad entre 7 y 9 UNT. Cuando la turbiedad supera en ocasiones el nivel de 10 UNT, debe emplearse un proceso de filtración directa con adición de coagulante.
En resumen, si el efluente secundario no cumple con los requisitos de calidad comentados anteriormente o presenta una calidad irregular, se debe emplear un sistema de tratamiento completo. Esto es igualmente aplicable si se quiere garantizar una máxima calidad y un mínimo riesgo.
Coagulación-floculación
La coagulación es un proceso destinado a neutralizar, desestabilizar, reducir la carga eléctrica superficial de las partículas, de modo que las fuerzas de repulsión sean lo menos intensas posibles (Mujeriego, 2007). La coagulación se consigue añadiendo al agua una sustancia denominada coagulante que se adhiere a la superficie de las partículas, neutralizando su carga superficial. Los coagulantes más usados son las sales de cationes polivalentes, principalmente Al+3 y Fe+3. La floculación es un proceso destinado a promover la unión permanente de partículas primarias, de modo que formen una unidad de mayor tamaño y mayor densidad. La floculación se consigue agitando las partículas para que adquieran energía cinética, se choquen entre sí, venciendo las posibles fuerzas eléctricas de repulsión, y queden retenidas por acción de las fuerzas de atracción de las masas (Mujeriego, 2007). En las últimas etapas de la floculación suele añadirse polielectrolitos, que son sustancias destinadas a promover la unión de flóculos entre sí, de modo que las nuevas asociaciones de partículas tengan mayor tamaño, mayor densidad y mayor resistencia a la abrasión por efecto de la turbulencia del agua (Mujeriego, 2007).
La coagulación puede producirse mediante una desestabilización de las cargas de las partículas a partir de bajas dosis de coagulantes o mediante una floculación por barrido mediante precipitación química con dosis de coagulantes mayores. En el primer caso se debe tener un control exhaustivo del pH entre 7,0 y 7,5 y en el segundo caso, no se requiere un control especial del pH.
Cuando no se dispone de decantador, debe evitarse que los flóculos formados sean demasiado grandes, pues se puede producir una colmatación rápida de los filtros. En
estos casos, se utilizan dosis pequeñas de coagulante. La tabla 3.4 muestra la dosis recomendada para cada uno de los tratamientos terciarios.
Tabla 3.4. Rango de dosis recomendadas de coagulante por tratamiento (Metcalf y Eddy, 2000).
Tratamiento Dosis de Al+3 (mg/l) Control de pH
Completo 10-100 No necesario
Filtración directa 2-5 Estricto 7,0-7,5
Filtración por contacto 2-5 Estricto 7,0-7,5
Sedimentación y/o decantación
La sedimentación consiste en la separación mediante gravedad de las partículas en suspensión cuyo peso específico es mayor que el del agua. Los decantadores se utilizan para eliminar los flóculos químicos formados en la etapa de coagulación-floculación. El objetivo principal es la disminución de la MES y de la turbiedad.
Actualmente, los decantadores con un mayor rendimiento de eliminación son los lamelares. Las principales ventajas de estos decantadores son su elevado rendimiento de eliminación, el ahorro de espacio que producen y la autolimpieza de las lamelas. Su inconveniente principal es la aparición potencial de olores debido al crecimiento biológico y la inefectividad del proceso de auto-limpieza de las lamelas en el caso de que éstas retengan materia orgánica.
Filtración
La filtración en medio granular es un proceso de tratamiento consistente en hacer pasar el agua a través de un medio poroso con el objetivo de eliminar la MES. El proceso tiene lugar mediante dos mecanismos principales: 1) la MES se filtra físicamente en base a los distintos tamaños entre partícula y poro, y 2) la MES queda adherida a la superficie del medio granular por fuerzas moleculares o electrocinéticas cuando pasan suficientemente cerca y a una velocidad adecuada.
Existen tres categorías de filtración granular: filtración rápida, filtración lenta y filtración en tierra de diatomeas. Uno de los filtros más usados en la actualidad son los bicapa (2 capas) o multicapa (hasta 4 capas) que están formados por una serie de capas con materiales de distintas densidades y tamaños de grano. Un filtro bicapa estaría constituido por una capa de antracita (densidad baja y tamaño de grano grande) en la parte superior y una de arena (densidad mayor y tamaño de grano menor) en la inferior. Los parámetros de control de un filtro son la turbiedad del agua, la disminución de la carga hidráulica y el tiempo entre lavados. Se deben evitar los tiempos de lavados cortos, porque esto disminuye la producción de agua filtrada. Para evitar la colmatación rápida de los filtros y trabajar de forma continua se recomienda que el agua de alimentación de los filtros tenga una turbiedad inferior o igual a 6,0 UNT.
En la actualidad, un mecanismo de filtración muy utilizado por el gran rendimiento obtenido es la filtración con membranas. Este método permite obtener un agua de gran calidad y totalmente desinfectada (en la microfiltración, sólo parcialmente). Los 4 tipos de membranas existentes son la microfiltración (MF), la ultrafiltración (UF), la
nanofiltración (NF) y la ósmosis inversa (OI) cuyos tamaños de retención son de aproximadamente 0,1 µm, de 0,01µm, de 0,001 µm y de 0,0001 µm, respectivamente. El mecanismo de retención de partículas en las membranas de MF y UF es el de tamizado, es decir, las partículas mayores quedan retenidas y las menores pasan por los poros de la membrana. En cambio, en las membranas de NF y OI es la difusión de las moléculas a través del material de la membrana. Las principales ventajas de los procesos de membrana son la desinfección total del efluente si se trabaja con UF, NF y OI, y la separación física de los residuos producida sin formación de subproductos. No obstante, sus principales desventajas son el elevado coste, tanto de material como de energía, y el tratamiento posterior que debe llevarse a cabo de las aguas de rechazo del tratamiento así como la limpieza de las membranas.