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Aguas residuales urbanas parte 1 - Monografía



 
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Química. Tratamiento. Depuración. Filtraciones. Residuos. Excretas. Infiltraciones. Propiedades



1 La materia prima: el agua residual urbana.



Para conocer las posibilidades de uso de las aguas residuales urbanas, su peligrosidad potencial, sus posibles aplicaciones en recuperación de suelos, en reciclado de materias, en recuperación de productos, etc., etc., es preciso conocer con detalle las características de la composición y demás factores que conforman los efluentes.

Verdaderamente éstos varían mucho ante la presencia o ausencia de industrias y ante las costumbres higiénicas que siga la población objeto de estudio.

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NUTRIENTES CONTENIDOS EN AGUAS RESIDUALES URBANAS CRUDAS (MEDIA DE 240 MUESTRAS ANALIZADAS EN BRAUNSCHWEIG (BRD)).



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CARACTERíSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE VARIAS COMUNIDADES DE CALIFORNIA



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COMPOSICION NORMAL DE LAS AGUAS RESIDUALES URBANAS EN DISTINTAS CIUDADES ESPAÑOLAS



Las aguas residuales urbanas presentan tipos de contaminantes muy variados (véanse cuadros adjuntos), hecho que nos impide encasillar las aguas residuales según los diferentes tipos de tratamiento específico, siempre orientado, claro está, a los sistemas que estamos tratando de dar a conocer y de poner en marcha.
1.1 Origen de las aguas residuales urbanas.

Llamamos aguas residuales a los líquidos procedentes de la actividad humana, que llevan en su composición gran parte de agua, y que generalmente son vertidos a cursos o a masas de agua continentales o marinas.

Su origen puede ser muy diverso: G. Brebion las agrupa en 5 categorías de origen:

- Mecánico y físico.
- Inorgánico y mineral.
- Orgánico.
- Urbano.
- Colectivo.

Las aguas residuales urbanas se originan a causa de:
- Excretas.
- Residuos domésticos.
- Arrastres de lluvia.
- Infiltraciones.
- Residuos industriales.

1.1.1 Excretas.



Son las que contienen los residuos sólidos y líquidos que constituyen las heces humanas fundamentalmente, y tienen la siguiente composición:

a) Deyecciones sólidas



Se componen normalmente de agua, celulosa, lípidos, prótidos y materia orgánica en general que en forma de elementos compuestos de interés agrario corresponden a porcentajes de hasta 30 por 100 de N, 3 por 100 de P04H3 y 6 por 100 de K2O, entre otros.

Cuando son expulsadas las heces. aparece un principio de putrefacción, que tiene lugar sobre las proteínas, tanto alimenticias como aquellas provenientes de secreciones y restos de la mucosa intestinal. Asimismo se presentan descarboxilaciones de aminoácidos que producen lesina, tirosina, aminas, etc., y desaminaciones con desprendimiento de NH3.

Al formarse escatol, fenol, indol, paracresol y otros compuestos, aparecen olores desagradables, y lo mismo ocurre al descomponerse ciertas proteínas, como la cisteina, que producen SH2 y mercaptanos.


b) Vertidos líquidos



La orina tiene la composición media indicada en la tabla adjunta:



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COMPOSICION MEDIA DE LA ORINA DE ORIGEN HUMANO (en gr/l).


Diariamente (24 horas), un hombre elimina 1,3 litros de orina. Anualmente, cada individuo produce unos 28 Kg de materia orgánica, que en forma de elementos y compuestos de interés agrario corresponden (en Kg/año) a:

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Los sistemas hidráulicos de los WC discurren por las instalaciones de las casas hasta las alcantarillas y la red urbana de evacuación.

Este tipo de vertidos es el más importante por sus características de composición y concentración, que hacen que sean los puntos principales a tener en cuenta en la construcción de sistemas de depuración de aguas residuales urbanas.

1.1.2 Residuos domésticos.


Son los que proceden de la evacuación de los residuos y manipulaciones de cocinas (desperdicios, arenas de lavado, residuos animales y vegetales, detergentes y partículas), de los lavados domésticos (jabones, detergentes sintéticos con espumantes MES, sales, etc.), y de la actividad general de las viviendas (celulosa, almidón, glucógeno, insecticidas, partículas orgánicas, etc.) y que se recogen en la limpieza de la habitación humana.


1.1.3 Arrastres de lluvia.


Al caer 1ª lluvia sobre una ciudad, arrastrara 1as partículas y fluidos presentes en las superficies expuestas, es decir: hollín, polvo de ladrillo y cemento esporas polvo orgánico e inorgánico de los tejados, partículas sólidas polvo, hidrocarburos de las vías públicas, restos de vegetales y animales y partículas sólidas (tierras) de los parques y zonas verdes.

Si la precipitación es suficiente, los arrastres se efectuaran hasta la red de evacuación y aparte de los componentes extraños, el volumen de agua es tal que produce diluciones a tener en cuenta en los procesos de depuración.


1.1.4 Infiltraciones.



A veces 1as zonas verdes urbanas, por a composición de su suelo, permiten el paso de las aguas de arrastre hacia los acuíferos, con el consiguiente peligro de contaminación.
Normalmente, las redes de evacuación de las aguas residuales en subterráneas, y en aquellos casos en que los acuíferos están próximos a la superficie por lluvias u otras causas existe peligro de infiltraciones y fugas a través de tuberías en mal estado o con conexiones defectuosas, o simplemente por paso gravitatorio normal.

1.1.5 Composición de las aguas residuales urbanas.


Clasificaremos los componentes según el aspecto químico o bajo el aspecto biológico.


1.1.6 Composición química.



1.1.6.1 Sólidos.



Generalmente, las aguas residuales contienen sólidos disueltos, sólidos en suspensión y sólidos en flotación, que normalmente no pasan de 1.000 ppm del total, aunque su tratamiento en estaciones depuradoras necesita de instalaciones especiales.

1.1.6.1.1 Clasificación según su composición.



Según su composición los dividiremos en:

- Sólidos orgánicos
- Sólidos inorgánicos

a) Sólidos orgánicos



Ya se ha indicado el origen vegetal o animal de los sólidos orgánicos presentes en las aguas residuales. A veces contienen, además, compuestos orgánicos sintéticos. Los glúcidos, lípidos, proteínas y sus derivados son los grandes grupos de esta clase: son biodegradables y su eliminación por combustión es relativamente sencilla.


b) Sólidos inorgánicos.


Se incluyen en este grupo todos los sólidos de origen generalmente mineral, como son sales minerales, arcillas, lodos, arenas y gravas no biodegradables, y ciertos compuestos corno sulfatos, carbonatos, etc., que pueden sufrir algunas transformaciones (fenómenos de óxido-reducción y otros).

1.1.6.1.2 Clasificación según su presentación.



Los clasificaremos en cuatro grupos:
- Sólidos sedimentables.
- Sólidos en suspensión.
- Disoluciones coloidales.
- Sólidos disueltos.

a) Sólidos sedimentables



Son aquellas panículas más gruesas que se depositarán, por gravedad, en los fondos de los receptores; su análisis se realiza por volumetría y gravimetría, previa decantación y tamizado.
Se componen de un 70 por 100 de sólidos orgánicos y de un 30 por 100 de sólidos inorgánicos.


b) Sólidos en suspensión.


Son las partículas flotantes, como trozos de vegetales, animales, basuras, etc., y aquellas otras que también son perceptibles a simple vista y tienen posibilidades de ser separadas del líquido por medios físicos, como arcillas, arenas, etc.

Generalmente se componen de un 68 por 100 de sólidos orgánicos y de un 32 por 100 de sólidos inorgánicos.

c) Disoluciones coloidales.


Están formadas por partículas de tamaño intermedio entre el de las disoluciones verdaderas y el de las partículas de las suspensiones groseras:

1 mµ< ? < 0,2 µ. aunque estos límites son arbitrarios y se fijan por conveniencia.

La fase dispersa puede comprender hasta el 40 por 100 de los sólidos totales y suele estar formada por coloides liófilos, es decir, por soles bastante estables.

Una pequeña parte la constituyen elementos casi sedimentables, pero la mayoría sólo puede ser detenidos por crisol de Gooch.

Se calcula que están constituidos por un 75 por 100 de componentes orgánicos y un 25 por 100 de componentes inorgánicos.

Son fácilmente degradables y tienen gran capacidad de absorción, circunstancia a tener en cuenta en las estaciones de tratamiento de aguas residuales.

d) Sólidos disueltos



Se incluyen en este grupo todos aquellos sólidos que pasan por el crisol de Gooch, aunque una pequeña parte está constituida por coloides (un 10 por ciento).

Su proporción es de un 40 por ciento de productos orgánicos y un 60 por 100 de sólidos inorgánicos.

1.1.6.2 Gases.



Las aguas residuales urbanas contienen diversos gases con diferente concentración.

a) Oxígeno disuelto


Es el más importante, y es un gas que va siendo consumido por la actividad química y biológica.

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NUTRIENTES. OLIGOELEMENTOS Y AGENTES CONTAMINANTES DE LAS AGUAS RESIDUALES DE MEXICO D.F.



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CONTENIDO EN NUTRIENTES Y AGENTES CONTAMINANTES DE LAS AGUAS


RESIDUALES DE DEBRECEN (HUNGRíA)



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CONTENIDO MEDIO DE NUTRIENTES Y AGENTES CONTAMINANTES EN LAS AG~S RESIDUALES DE EAST LANSING (MICH., USA).



El oxígeno disuelto depende de muchos factores, como temperatura, altitud, movimientos del curso receptor, actividad biológica, actividad química, etc.

Su análisis se puede realizar por varios métodos, pero los más característicos son el de Winkler, el de Winkler-Alsterbergo la polarografía.

El control del oxígeno disuelto a lo irgo del tiempo, nos suministra una serie de datos fundamentales para el conocimiento del estado de un agua residual.


b) Ácido sulfhídrico



Es un gas que se forma al descomponerse en medio aerobio ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas que contienen azufre.

Su presencia, que se manifiesta fundamentalmente por los olores que produce, es un indicativo de la evolución estado de un agua residual, es poco estable al calor, descomponiéndose en azufre e hidrógeno.

c) Anhídrido carbónico



El gas que Helmot llamó en 1630 “gas silvestre”, se produce en las fermentaciones de los compuestos orgánicos de las aguas residuales negras. Su presencia en el agua puede estudiarse por infinidad de métodos (van Slyke, volumetría, analizador especifico IR, etc.).
El CO2 del agua se presenta libre o como componente de bicarbonatos; la parte libre puede tener una fracción activa que puede destruir carbonatos y ejercer diversas acciones químico-biológicas en el seno del agua residual.

d) Metano


Se forma en la descomposición anaerobia de la materia orgánica al reducir ciertas bacterias el CO2, utilizando hidrógeno de fermentaciones butíricas y apareciendo sobre todo en cierto tipo de estaciones depuradoras, dando algunas posibilidades de aprovechamiento como combustible.

e) Otros gases



Se producen además gases malolientes, como ácidos grasos volátiles, indol, escatol y otros derivados del nitrógeno.


1.1.6.3 Líquidos.



A veces, las aguas residuales urbanas próximas a una industria pueden contener líquidos específicos.

Por lo general, las aguas residuales urbanas llevan algunos líquidos volátiles como gasolinas, alcoholes, etc.

1.1.7 Composición biológica.


Las aguas residuales urbanas contienen gran número de organismos vivos que son los que mantienen la actividad biológica, produciendo fermentaciones y descomposición y degradación de la materia orgánica e inorgánica.

Estos organismos pueden ser vegetales o animales, situándose así entre los seres vivos:
Vegetales (Strasburger, 1971)

- Espermatofitos
- Micofitos
- Eumicofitos
- Mixomicofitos
- Euglenofitos
- Ficofitos
- Bacteriofitos
- Virus

Animales (Grassé, 1965.1970)

- Cordados
- Metazoarios triblásticos
- Artrópodos
- Anélidos
- Rotíferos
- Protozoarios
- Rizópodos
- Flagelados
- Ciliados

1.1.7.1 Mohos.


Son hongos que se implantan en la materia orgánica en descomposición. Atacan a los hidratos de carbono y a los productos nitrogenados (en la leche oxidan la caseína, produciendo urea, leucina, etc.).

Los más importantes son: Mucor, Oidium, Aspergilus, Penicillium, etc.

1.1.7.2 Bacterias.



Son organismos unicelulares móviles o inmóviles de formas diversas (cocos, bacilos, espirilos, filamentosas) y de tamaño y modo de vida diferentes según la especie y el medio.

Se multiplican por división celular y su velocidad de reproducción puede ser frenada por varias causas, como por ejemplo:

- Naturaleza de la bacteria.
- Temperatura (OºC < T < 45ºC).
- Medio.
- Disminución de alimentos y del oxígeno disuelto.
- Acumulación de productos metabólicos tóxicos.
- Variaciones del pH al aparecer ácidos, productos amoniacales. etc.
- Competencia vital.

En ciertos casos, aunque se cumplan estas condiciones limitantes, las bacterias viven y se multiplican, como ocurre con las bacterias termófilas (viven bien a 50 0C), o con las anaerobias estrictas.

Podemos clasificar las bacterias de las aguas residuales urbanas según su nutrición, en dos grandes grupos:

a) Bacterias parásitas



Son las que han tenido como huésped al hombre o a los animales; suelen ser patógenas y producir graves enfermedades (tifus, cólera, disentería, etc.), y en el tratamiento de las aguas residuales son uno de los factores más importantes a tener en cuenta.

b) Bacterias saprofitas



Son las que se nutren de los sólidos orgánicos residuales y provocan descomposiciones fundamentales en los procesos cíe depuración.

Según el medio, las bacterias de las aguas residuales urbanas se pueden clasificar en: Aerobias, anaerobias, facultativas y autótrofas.

c) Bacterias aerobias



Son aquellas que necesitan oxígeno procedente del agua para su alimento y respiración.

El oxígeno disuelto que les sirve de sustento es el oxígeno libre (molecular) del agua, y las descomposiciones y degradaciones que provocan sobre la materia orgánica serán procesos aerobios, estos procesos se caracterizan por falta de malos olores.

d) Bacterias anaerobias


Son las que consumen oxigeno procedente de los sólidos orgánicos e inorgánicos y la presencia de oxígeno disuelto no les permite subsistir. Los procesos que provocan son anaerobios y se caracterizan por la presencia de malos olores.


e) Bacterias facultativas



Algunas bacterias aerobias y anaerobias pueden llegar a adaptarse al medio opuesto, es decir, las aerobias a medio sin oxígeno disuelto y las anaerobias a aguas con oxígeno disuelto.

f) Bacterias autótrofas


Son aquellas que pueden sustentar su protoplasma a partir de sustancias minerales como anhídrido carbónico, sulfatos, fosfatos, carbonatos, etc. tomando la energía necesaria para sus biosíntesis a partir de la luz (bacterias fotosintéticas) o a partir de ciertas reacciones químicas (bacterias quimiosintéticas).

Citaremos aquí las más importantes dentro de las aguas residuales urbanas según los procesos que en ellas se efectúan:


Bacterias nitrificantes.



Son las Nitrobacter y Nitrosomonas, que necesitan como fuente de energía reacciones químicas determinadas. Son aerobias. Las primeras oxidan el ácido nitroso y las segundas el amoniaco.


Bacterias ferruginosas y manganosas.



Son las que extraen su energía de procesos de oxidación de sales ferrosas o manganosas, y pertenecen a ella los géneros Clonothrix, Leptothrix, etc.

Tiobacterias.



Las Thiotrix, Beggiatoas y otras oxidan el SH2, y al agotar el gas oxidan el azufre producido a ácido sulfúrico.
Bacterias oxidantes del hidrógeno.

Las Hydrogenomonas oxidan el hidrógeno producido por las bacterias heterótrofas en las fermentaciones de los glúcidos, produciendo agua.

1.1.7.3 Otros vegetales.


Se presentan algas tipo Euglena, Volvocales, etc.

1.1.7.4 Virus.



El interés que tiene el conocer la gran variedad de virus que pueden aparecer en las aguas residuales, es por su acción nociva como agentes productores de enfermedades-cosa a tener en cuenta en los tratamientos en estaciones depuradoras- pues pueden infectar el tracto intestinal y pasar a las heces. En un gramo de heces podemos encontrar hasta 109 panículas de virus infecciosos.

Los virus más comunes en las aguas residuales urbanas son:

- Adenovirus.
- Enterovirus.
Poliovirus.
Echovirus.
Coxsackievirus.
- Hepatitis A.
- Reovirus.
- Rotavirus.

1.1.7.5 Animales.



a) Protozoarios.



Aparecen rizópodos (amibas) flagelados y ciliados (Paramecium, Colpidium, Vorticela), etc.

b) Metazoarios.



Rotíferos, anélidos (Tubifex), larvas, etc.

1.2 Propiedades de las aguas residuales urbanas.



1.2.1 Propiedades físicas.



Estas propiedades son adquiridas en su mayor parte, según sea el contenido total de sólidos en sus diferentes variantes de materiales flotantes, sustancias coloidales y productos disueltos.

Los sólidos pueden plantear problemas cuando las aguas residuales son tratadas mediante sistemas agrarios, debido a su capacidad de ocluir los poros del suelo y de poder llegar a establecer costras impermeables sobre la superficie de los terrenos.

El color de los efluentes urbanos produce ciertos efectos sobre las aguas de aplicación cuando se siguen sistemas agrarios de tratamiento de las aguas residuales. Generalmente, la coloración es indicadora de la concentración y composición de las aguas contaminadas, y puede variar del gris al negro. En la medida que éste es más intenso, la capacidad de absorción de energía solar es mayor, y ello redunda en una ligera elevación de la temperatura del suelo.

La temperatura de los efluentes urbanos no plantea graves problemas, ya que oscila entre 10 y 20º C; facilita así el desarrollo de una fauna bacteriana y una flora autóctona, ejerciendo una acción amortiguadora frente a la temperatura ambiente, tanto en verano corno en invierno, y en cualquier tipo de tratamiento biológico.

El olor causado por la descomposición anaerobia de la materia orgánica es debido, sobre todo, a la presencia de ácido sulfhídrico, indol, escatoles, mercaptanos y otras sustancias volátiles, y es eliminado por aireación o por aspersión del agua en los diferentes sistemas biológicos que se están tratando.


1.2.2 Propiedades químicas.



Las propiedades químicas del agua tienen gran importancia debido a que interaccionan con las del suelo, variando el valor de cada parámetro. Esto nos obliga a considerar que las modificaciones a provocar en el agua residual tienen que poseer un sentido de equilibrio que evite, en cualquier forma, que un componente se convierta en factor limitante del crecimiento del sistema natural que queremos aplicar.

Las propiedades químicas de las aguas residuales son proporcionadas por componentes que podemos agrupar en tres categorías, según su naturaleza: Materia orgánica, compuestos inorgánicos y componentes gaseosos, conjunto que podemos reunir, a su vez, en dos grandes grupos:

- Sólidos en suspensión
- Compuestos en disolución

Ya hemos tratado ampliamente de los problemas que causa la materia orgánica. Esta, tanto en disolución como en suspensión, presenta una composición más o menos homogénea, en la que se encuentran, en forma predominante, las proteínas, los hidratos de carbono y algunos aceites y grasas. En esta distribución no podemos olvidar los compuestos citados como fenoles, plaguicidas, etc.

Si la distribución de esta materia orgánica es importante respecto a las características organolépticas del agua y algunas propiedades físicas, como la densidad y turbidez, o químicas corno el pH, generalmente no hay correlación entre la concentración y el efecto.

De este modo, podemos comprender que a bajas concentraciones de un determinado compuesto orgánico, pueden manifestarse toxicidades en un suelo si se aplican sistemas de vertidos agrarios.

Existen elementos, como el nitrógeno, que se encuentran bajo diferentes formas:

El nitrógeno orgánico puede aparecer como amonio, en los nitratos orgánicos y en los nitritos, siendo las dos primeras formas mayoritarias. La presencia de nitratos es muy importante cuando se aplican sistemas de vertidos a suelos. y. además, por la capacidad de eutrofización que desarrollan estos compuestos cuando aparecen en concentraciones elevadas en la parte superficial de los suelos.

Un elemento integrado en los compuestos orgánicos de los efluentes, y de gran importancia, es el fósforo, que pasa rápidamente a fosfato.

Los elementos pesados y los elementos traza son, en algunos casos, esenciales para el desarrollo y el crecimiento de las plantas y microorganismos de los sistemas biológicos de tratamiento de aguas. Sin embargo, a determinados niveles estos elementos esenciales se pueden convertir en tóxicos.

El zinc, el cobre y el níquel son los metales que más contribuyen a acrecentar las cifras de elementos pesados, siendo el zinc el metal usado como referencia de toxicidad.

El boro es otro elemento que puede afectar mucho a los sistemas biológicos de tratamiento de aguas. Es esencial en la micronutrición vegetal, pero puede ser tóxico para muchos sistemas de fauna y flora que están presentes en los procesos de tratamiento de las aguas residuales.


1.2.3 Características biológicas.



El componente biológico es básico en las aguas residuales, habida cuenta de su capacidad metabólica y, en consecuencia, de su potencialidad de trasformación de los restos químicos, orgánicos y físicos.

Ya hemos indicado reiteradamente la presencia de fauna y flora en las aguas residuales, hemos hablado de bacterias, actinomicetos, hongos y algas, y hemos hablado de la fauna que compone las pirámides de detritívoros que sirven para conseguir reciclar determinados elementos que son fundamentales para los sistemas biológicos de tratamiento de las aguas residuales.

Es claro que el componente orgánico de las aguas residuales es un medio de cultivo que permite el desarrollo de los microorganismos que cierran los ciclos biogeoquimicos de elementos como el azufre, el carbono, el nitrógeno o el fósforo, entrando frecuentemente en competencia y eliminando los elementos microbianos patógenos que se pueden encontrar en el medio.

Este componente biológico se manifiesta fundamentalmente en 5 áreas diferentes:

a) Descomposición de los compuestos orgánicos contenidos en las aguas residuales.

b) Eliminación de determinados compuestos orgánicos que sean tóxicos para los vegetales y microorganismos del suelo.

c) Desaparición de microorganismos patógenos.

d) Participación en los ciclos biogeoquimicos del N, del P, y del S, elementos fundamentales cuando se presentan como nitratos, fosfatos o sulfatos en el movimiento y asimilación por el suelo y los vegetales.

e) Reacciones de la materia orgánica transformada y del componente microorgánico frente a los constituyentes minerales del suelo, participando en la promoción de microagregados organominerales, variando la solubilidad de determinados iones y la solubilidad a lo largo de los diferentes horizontes del perfil, etc.

Un último aspecto del componente biológico de las aguas residuales, es la presencia de determinados virus ya citados, quienes, aún en muy baja proporción respecto a bacterias y microorganismos en general, manifiestan enorme peligrosidad desde el punto de vista sanitario.

Los virus presentes en estas aguas residuales provienen de las excretas intestinales del hombre y los animales domésticos. Se han detectado unos 100 serotipos diferentes en las excretas humanas y su actuación depende del tipo de virus. Muchos son resistentes a casi cualquier tipo de tratamiento. El mayor problema lo plantean por su capacidad de detección con pequeñísima presencia de inoculo.

A pesar de todo, si no se ingieren aguas residuales urbanas, si se tratan y si su uso se restringe a aplicaciones adecuadas, el peligro desde el punto de vista sanitario se reduce al mínimo. A ello ayuda, además, la acción del medio, pues hay que tener en cuenta que los virus siempre necesitan un elemento vivo para poder desarrollar su ciclo vital y si el líquido se aplica de forma apropiada, esa fase queda muy marginada y así se minimiza el riesgo.

 







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