Capítulo 10

OPERACIONES UNITARIAS BÁSICAS PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS
J.A. PÉREZ LÓPEZ y M. ESPIGARES GARCÍA
Las aguas naturales pueden contener una amplia variedad de compuestos orgánicos e
inorgánicos, en función de su origen, procedentes de muy diversas fuentes. El tratamiento del
agua bruta es necesario para la eliminación o ajuste de la concentración de los compuestos que
puedan suponer un factor de riesgo para la salud humana, así como para adecuar sus
características en función del uso previsto.
El coste de las operaciones, aspecto básico de los tratamientos, depende de la energía o
trabajo termodinámico necesario para desarrollar el proceso, o lo que es lo mismo, el cambio en
la energía libre de Gibbs, que a presión y temperatura constantes, viene expresado por el trabajo
mínimo que hay que aplicar para la eliminación de un compuesto disuelto en el agua, en un
proceso reversible:
Wmin = - ∆Greversible
dónde:
∆G = RTΣnilnai
R = constante universal de los gases.
T = temperatura absoluta.
ni = nº de moles del compuesto i en el sistema.
ai = actividad del compuesto i en la mezcla: ai = xifi
xi = fracción molar del compuesto i.
fi = coeficiente de actividad del compuesto i.
Por ejemplo, el cloruro sódico se encuentra en al agua de mar a una concentración
aproximada de 30 g/L. Aplicando las fórmulas anteriores, la eliminación de un mol de ClNa
requeriría un mínimo de 11,5 kJ de energía. Por contra, el oro se encuentra en aguas de mar a
concentraciones de 4 x 10-6 mg/L. Para la eliminación de un mol (197 gr) se necesita un mínimo
de 57 kJ de energía. En general, puede decirse que cuanto más diluido está un compuesto más
energía será necesario aplicar para eliminarlo del agua. Por ello, las operaciones unitarias a
realizar para la depuración de las aguas deben seleccionarse cuidadosamente, considerando que
el volumen de agua a tratar es muy elevado y que los costes serán muy variables en función de la
metodología seleccionada.
A continuación, en éste tema y en los cinco siguientes, se estudia más detalladamente algunos
de los procedimientos mecánicos, físicos, químicos y biológicos que pueden aplicarse en la
depuración del agua de consumo (Tablas 10.1, 10.2 y 10.3), así como sus fundamentos teóricos.
CAPTACIÓN
El agua potable de consumo público se obtendrá, en lo posible, del origen más adecuado, de
tal manera que, tras el adecuado tratamiento, se ajuste a las características dispuestas en la
legislación vigente considerando la calidad y cantidad de los recursos hídricos disponibles, así
como la garantía de utilización de los mismos. En todo caso, se asegurará la protección sanitaria
de acuíferos, cauces, cuencas y zonas de captación.
A priori, las aguas subterráneas podrían considerarse como naturalmente puras y las
superficiales contaminadas, sin embargo, en la práctica esto no es así en todos los casos, ya que
la mayor contaminación de las aguas superficiales es más aparente que otra cosa, pues cuando es
necesario realizar tratamientos en aguas profundas, estos suelen ser más difíciles y costosos. En
lo relativo a la temperatura y contenido en materia orgánica, sí suelen ser más adecuadas las
aguas profundas, que por contra suelen presentar también una mayor mineralización (Tabla
10.4).
De una forma práctica pueden considerarse cuatro modalidades de captación:
Aguas de precipitación
Pueden ser procedentes de lluvia o nieve. La captación se suele llevar a cabo mediante azoteas
acondicionadas, tejados con sistemas de recolección, impermeabilización de laderas con depósito
de recogida, etc. En teoría, estas aguas serían potables, tanto química como
microbiológicamente, sin embargo, en la práctica suelen estar contaminadas, por lo que siempre
es necesario efectuar, al menos, la desinfección.
Aguas superficiales
En este apartado se incluyen los ríos, lagos y embalses. En los ríos, el lugar de captación es
muy variable en función del caudal, materiales de arrastre, navegabilidad, etc., requiriéndose
generalmente un estudio particular para cada caso. La captación siempre debe hacerse aguas
arriba de la población que se quiere abastecer, tomándose habitualmente el agua de la parte
central del cauce y próxima a la superficie.
Para asegurar la cantidad de agua a la población se recurre a los embalses de regulación que,
en función de sus características (capacidad, mecanismos de autodepuración, renovación del
agua, etc.) se clasifican en tres categorías en la Orden Ministerial de 28 de junio de 1968:
-
Embalses con restricciones en sus aprovechamientos secundarios, tales como caza, pesca,
baños y natación, navegación deportiva a remo, vela y motor.
Embalses sin restricciones pero que presentan condiciones naturales poco favorables,
como superficie reducida, naturaleza fangosa, variación importante y frecuente de la
lámina de agua, turbidez excesiva, etc.
Embalse sin restricciones.
En embalses y lagos profundos de nivel relativamente constante, la captación se hará a una
profundidad de 30 a 35 m, para obviar los problemas de proliferación de plancton por efecto de
la luz solar, y al menos a 7 m por encima del fondo para evitar la contaminación por partículas
ocasionada por las corrientes profundas. También debe tenerse en cuenta la posible inversión de
capas de aguas por efectos térmicos.
Aguas profundas
Manantiales, pozos, etc.
DESBASTE-TAMIZACIÓN
Precede al tratamiento propiamente dicho y su finalidad es la de eliminar del agua la mayor
cantidad posible de materiales que, por su tamaño y naturaleza, podrían crear problemas en las
tratamientos posteriores.
El desbaste suele realizarse mediante rejas, de 8 a 10 cm de separación entre los barrotes, que
permiten un desbaste grosero de los materiales de mayor tamaño, o bien un desbaste más fino
con rejas cuya separación entre barrotes es de 25 a 40 mm. La limpieza de las rejas puede ser
manual o mecánica, denominándose en este último caso rejas mecánicas.
Si el agua arrastra materiales que pueden atravesar las rejas, como hojas o hierbas, habría que
realizar una tamización, para la que se utilizan mallas de 1 a 5 mm de tamaño de poro. La
limpieza de las mallas del tamizador debe realizarse de forma automática en función de la
pérdida de carga.
Los barrotes de las rejas suelen colocarse de forma oblicua a la dirección de la corriente de
agua (Fig. 10.1), con una inclinación de 1 (altura) a 3 (longitud), por lo menos.
En la instalación de las rejas es necesario considerar dos factores muy importantes, la
velocidad del agua en el canal (que debe ser de 0,5 a 1,5 m/sg) y evitar la formación de
remolinos. En cualquier caso, el rendimiento del proceso de desbaste-tamización suele ser de 1/5
del obtenido en los decantadores, pero resulta imprescindible para aumentar el rendimiento del
sistema y simplificar las necesarias operaciones de purga y limpieza.
Cuando ocurran crecidas anormales que puedan provocar el arrastre de gran cantidad de
materiales, es conveniente adaptar una derivación, provista de una reja gruesa, para
posteriormente proceder a un desbaste más fino, de tal manera que nunca se vean afectados los
tratamientos posteriores.
PREDECANTACIÓN
Se suele realizar en aguas superficiales muy cargadas de arena fina o barro, con o sin la
adición de reactivos, en función de la concentración de materias en suspensión. El rendimiento
sin utilización de reactivos oscila entre el 50 y el 65 %, y puede llegar hasta el 98 % con la
adición de floculantes.
MEDIDA DE CAUDALES
Es una de las operaciones más importantes en el tratamiento de aguas de consumo,
imprescindible para el resto de los tratamientos a realizar, ya que si la medida del caudal no es
correcta, los reactivos no se adicionarán en la cantidad apropiada y las instalaciones no estarán
bien dimensionadas. Por otra parte, es uno de los errores que con mayor frecuencia se comete,
fundamentalmente en los Servicios de abastecimiento de pequeñas poblaciones.
Pueden utilizarse multitud de procedimientos cuya precisión de medida es variable de unos a
otros, si bien se admite como válido un error de hasta el 5 %. Esta operación debe efectuarse a la
entrada del agua en las instalaciones de depuración y el procedimiento a utilizar debe adecuarse a
la modalidad de conducción empleada.
Líneas de presión
Cuando el transporte del agua se realiza mediante conducciones cerradas, los métodos que se
emplean con mayor frecuencia son los denominados dinámicos, basados en la aplicación del
teorema de Bernouilli entre dos puntos de una conducción en uno de los cuales se ha realizado
artificialmente un estrechamiento. El aumento de la velocidad de flujo en la parte estrecha de la
conducción da lugar a una disminución de presión, que puede evaluarse mediante un manómetro
diferencial, que nos indicará, tras la oportuna conversión, la velocidad del agua y
consecuentemente el caudal (Fig. 10.2).
Canales abiertos
Uno de los métodos más sencillos y apropiados es el de los flotadores, basado en el tiempo
que tarda un cuerpo flotante en recorrer una cierta distancia en un canal de sección regular y
conocida. Para que pueda ser aplicado este sistema es necesario que no existan perturbaciones de
ningún tipo, tales como cuerpos flotantes, espuma, remolinos, viento fuerte, etc.
Uno de los métodos más empleados es el flotador de superficie, que puede ser cualquier
objeto flotante, por ejemplo un corcho, situado en la parte central del canal. Con este sistema se
mide la velocidad superficial del agua, que es equivalente, de una forma aproximada, a 1,25
veces la velocidad real del fluido, por lo que caudal sería:
C = S ⋅ v ⋅ 1/1,25 = 0,8 S ⋅ v
C = caudal
S = superficie transversal del canal
v = velocidad del agua
Otro tipo de flotador es el vertical, que consiste en un cilindro metálico lastrado en uno de sus
extremos que flota en posición vertical. La velocidad que se mide es muy semejante a la
velocidad real del fluido, por lo que en este caso el caudal se expresaría:
C=S⋅v
Además de los procedimientos anteriormente expuestos, existen multitud de sistemas más o
menos complicados o ingeniosos, tales como:
- Medidores de velocidad: son sistemas rotativos en los que la velocidad de giro es función
de la velocidad del agua.
- Medidores de dilución: se basan en la adición al agua de una sustancia fácilmente
detectable (colorantes, sales, isótopos radioactivos, etc.) en un punto del canal y la medida de
su concentración en otro punto, aguas abajo. El factor de dilución de la sustancia añadida es
función del caudal de agua.
- Canal Parshall: consiste en una especie de tubo Venturi pero abierto, de tal manera que en
una zona del canal se produce un estrechamiento que provoca la elevación del nivel del agua
en función del caudal. La estimación del caudal se realiza a través de la medida de la altura h
que alcanza el agua en un pozo auxiliar unido por una conducción piezométrica.
AIREACIÓN
Es una operación que suele realizarse en las primeras etapas del acondicionamiento del agua
para mejorar algunos aspectos de ésta antes de ser sometida a otros tratamientos.
Mediante la aireación del agua se puede conseguir:
-
Oxidación parcial de sustancias inorgánicas reducidas, tales como sales de hierro y
manganeso.
Eliminación de sulfuro de hidrógeno y anhídrido carbónico agresivo. No es un método
eficaz para eliminar olores y sabores, ya que la presión de vapor de la mayor parte de las
sustancias que los producen es baja.
Evaporación de algunas sustancias volátiles que pueda contener el agua.
Nitrificación del amoníaco.
Disminución de las condiciones de anaerobiosis y de la corrosión, ya que cuando el agua
contiene concentraciones altas de amoníaco y sulfatos se favorece la proliferación
microbiana.
Mejora de los caracteres organolépticos por aumento de la concentración de oxígeno
disuelto.
Eliminación del exceso de oxígeno disuelto, lo que favorece la decantación. Cuando la
concentración de oxígeno disuelto es muy elevada en el agua bruta puede dificultar la
sedimentación de los flóculos tras la coagulación-floculación, pues al desprenderse las
burbujas pueden arrastrarlos hacia la superficie, y en estos casos la aireación facilita la
eliminación del exceso de oxígeno.
La eliminación de gases, como sulfhídrico o CO2, del agua depende de las cantidades relativas
de dichos gases, en el aire y en el agua, en relación a su valor de saturación. La velocidad de
intercambio es función de la superficie aire-agua que consiga en el sistema aireador, del pH y de
la alcalinidad.
La aireación sólo debe realizarse si se considera conveniente para el agua problema, por
presentar concentraciones elevadas de CO2, sulfhídrico u otras sustancias volátiles, o bien porque
pueda mejorar el resto de los tratamientos que se realicen a continuación, pero siempre teniendo
en cuenta que todas estas sustancias pueden eliminarse por alguno de los tratamientos posteriores
del agua. Así, por ejemplo, la eliminación del CO2 puede realizarse de forma más económica,
cuando las concentraciones no son muy altas, neutralizándolo con sosa o cal.
En la práctica, los aireadores deben estar diseñados de tal manera que la superficie de
contacto aire-agua sea la mayor posible y que las sustancias volatizadas puedan ser arrastradas
por la misma corriente de aire empleada en la aireación del agua. Se han desarrollado dos
modelos básicos de aireadores:
Aireadores que forman gotas o películas de agua en contacto con el aire
Aireadores de rociamiento: consiste en pulverizar el agua mediante unas toberas. Su
rendimiento es del 75 % para la eliminación del anhídrido carbónico, mientras que el contenido
en oxígeno que se consigue en el agua es muy superior al requerido para la oxidación de hierro y
manganeso (Fig. 10.3).
Aireadores de escalones: están diseñados en forma de torres en las que se colocan de 4 a 6
bandejas o gradas en escalera, con una altura de 1,2 a 3 metros, por las que se hace circular el
agua en láminas delgadas. Se consigue la eliminación del 30 al 60 % del anhídrido carbónico y
una buena oxigenación del agua (Fig. 10.4).
Aireadores que forman burbujas de aire en el seno del agua
Aireadores de difusión: mediante la inyección de aire comprimido a través de conducciones
perforadas en el interior de un depósito o estanque. Este procedimiento puede servir para realizar
simultáneamente una flotación forzada (Fig. 10.5).
PREOZONIZACIÓN
La desinfección previa del agua a tratar siempre es conveniente, pues además de favorecer la
coagulación-floculación, ablandamiento, filtración, oxidación de sustancias inorgánicas, etc.,
evita la proliferación de algas de las instalaciones, así como la de microorganismos formadores
del limo en los filtros de arena. Por otra parte, cuando en el agua problema existan sustancias
orgánicas precursoras de compuestos orgánicos clorados, fundamentalmente ácidos húmicos y
fúlvicos, es conveniente la utilización de un desinfectante distinto del cloro gas o hipocloritos,
que dan lugar a una serie de compuestos indeseables tóxicos y/o mutagénicos. El ozono puede en
estos casos ser una alternativa válida a la precloración del agua, ya que mediante diversos
estudios de toxicidad y mutagenicidad se ha comprobado su mayor eficacia en esta fase de los
tratamientos.