¿Por qué la electro-floculación iónica en el tratamiento de aguas residuales?

Distintos métodos e innovaciones para el tratamiento de aguas residuales. 

Las aguas residuales, debido a la gran cantidad de sustancias (algunas de ellas tóxicas) y microorganismos que portan, pueden ser causa y vehículo de contaminación, en lugares donde son evacuadas sin un tratamiento previo. Se puede definir la polución del agua como una modificación, generalmente provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia y peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca, las actividades recreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural.

Figura.- Descarga de agua residual sin tratamiento

Algunas de estas sustancias tienen un comportamiento desconocido en los organismos vivos. En otros casos, es evidente que la contaminación ambiental del agua por diversas sustancias, que quizás no estén en alta concentración en el medio, pero a las que el hombre está expuesto durante largos períodos de tiempo, es importante en varias enfermedades crónicas, incluido el cáncer.

Dentro de este concepto se incluyen aguas con diversos orígenes:

Aguas residuales domésticas o aguas negras: proceden de las heces y orina humanas, del aseo personal y de la cocina y de la limpieza de la casa. Suelen contener gran cantidad de materia orgánica y microorganismos, así como restos de jabones, detergentes, lejía y grasas.

Aguas blancas: pueden ser de procedencia atmosférica (lluvia, nieve o hielo) o del riego y limpieza de calles, parques y lugares públicos. En aquellos lugares en que las precipitaciones atmosféricas son muy abundantes, éstas pueden evacuarse por separado para que no saturen los sistemas de depuración.

Aguas residuales industriales: proceden de los procesamientos realizados en fábricas y establecimientos industriales y contienen aceites, detergentes, antibióticos, ácidos y grasas y otros productos y subproductos de origen mineral, químico, vegetal o animal. Su composición es muy variable, dependiendo de las diferentes actividades industriales.

Aguas residuales agrícolas: procedentes de las labores agrícolas en las zonas rurales. Estas aguas suelen participar, en cuanto a su origen, de las aguas urbanas que se utilizan, en numerosos lugares, para riego agrícola con o sin un tratamiento previo.

El agua que está contaminada por aguas residuales o por excretas del hombre o animales, puede intervenir, directa o indirectamente en la propagación de enfermedades, favoreciendo el desarrollo de artrópodos o moluscos, los cuales son cadenas epidemiológicas, o difundiéndose agentes infecciosos procedentes de excretas de enfermos y portadores, que a través de ella pueden llegar al agua de bebida, o a las hortalizas, que son regadas con estas aguas, sin tratamiento previo.  
Además, contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero y a la contaminación de los mantos acuíferos con nitratos y sales solubles. Otro aspecto nocivo, es el olor fétido que despide, además, por ser agua de re-uso, en algunas ocasiones contiene detergentes que en ocasiones no pueden ser degradados por el suelo. También es posible que contengan elementos potencialmente tóxicos como metales pesados, compuestos orgánicos como grasa, aceite y fármacos. (Pérez S. “Las aguas negras y sus beneficios” Ciencia UNAM.)

Importancia Ecológica y Sanitaria.

A continuación se relacionan los principales inconvenientes de las aguas residuales:

Malos olores y sabores.

Son consecuencia de la diversidad de sustancias que portan, y sobre todo, de los productos de la descomposición de éstas, especialmente en aquellos procesos, sobre todo anaerobios, en los que se descompone materia orgánica, con desprendimiento de gases.

La proliferación de microorganismos.

Los procesos de descomposición, la presencia de vegetación acuática, mohos, hongos, etc., y la reducción de sulfatos a sulfuros, en condiciones anóxicas.

Acción tóxica. Es el efecto y la repercusión que tienen algunos residuos sobre la flora y fauna natural de las masas hídricas receptoras y sobre los consumidores que utilicen esas aguas, o que se vean afectados por la acumulación de estas sustancias tóxicas en la cadena alimentaria.

Los efectos tóxicos pueden ser:

-Letales: causan muerte por envenenamiento directo.

-Subletales: por debajo de los niveles que causan la muerte, pero que pueden afectar al crecimiento, reproducción o actividad de los organismos.

 -Agudos: causan un efecto (normalmente la muerte) en un corto período de tiempo.

-Crónicos: causan un efecto letal o subletal durante un período de tiempo prolongado.

-Acumulativos: se incrementa el efecto con dosis sucesivas.

Composición del agua residual. 

Tres grupos de caracteres se pueden tener en cuenta para los diferentes componentes del agua residual:

Físicos

Químicos

Biológicos 

Características físicas.

Algunas de las características físicas de las aguas residuales urbanas son las siguientes:

Temperatura. 

Turbidez. 

Color. Suele ser gris o pardo, debido a los procesos biológicos anóxicos el color puede pasar a ser negro.

Sólidos. Se pueden clasificar en:

Totales: residuos que quedan tras la evaporación y secado 

Fijos: residuos remanentes después de la evaporación y carbonización 

Volátiles: es la diferencia entre sólidos totales y fijos.

 Características químicas. 

Existen una serie de parámetros que tienen una especial importancia para describir composición de las aguas residuales:

Materia orgánica. Constituye la tercera parte de los elementos de las aguas residuales, siendo los principales compuestos que se pueden hallar:

- Proteínas (40-60 %)

- Carbohidratos (25-50 %)

- Grasas y aceites (10 %)

La materia orgánica también puede aportar azufre, hierro y fósforo.

La mayoría de los aminoácidos presentes en la naturaleza pueden detectarse en las aguas residuales, como producto de la descomposición de proteínas.

Otros compuestos importantes son los azúcares como la glucosa, lactosa, sacarosa, fructosa y galactosa; y los ácidos como el acético, propiónico, butírico, láctico y cítrico.

También, se pueden encontrar celulosa, almidón y lignina.

Las grasas son descompuestas más lentamente por las bacterias, pero pueden actuar sobre ellas los ácidos minerales, dando glicerina y ácidos grasos; éstos, a su vez, pueden reaccionar con los álcalis, dando glicerina y jabones (sales alcalinas de ácidos grasos).

Hay una serie de parámetros que son de gran interés en el tratamiento de las aguas residuales, puesto que, permiten conocer el contenido en materia orgánica de éstas. Los más importantes son:

Demanda bioquímica de oxigeno (DBO): es la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos para degradar la materia orgánica presente en el agua.

Demanda química de oxigeno (DQO): mide la cantidad de materia orgánica del agua, mediante la determinación del oxígeno necesario para oxidarla, pero en este caso proporcionado por un oxidante químico como el permanganato potásico o el dicromato potásico.

Carbono orgánico total (COT).

Demanda total de oxígeno (DTO).

Materia inorgánica: Los componentes inorgánicos de mayor interés, en las aguas residuales, son:

PH: la actividad biológica se desarrolla dentro de un intervalo de pH generalmente estricto. Un PH que se encuentre entre los valores de 5 a 9, no suele tener un efecto significativo sobre la mayoría de las especies.. Un aspecto importante del pH es la agresividad de las aguas ácidas o alcalinas, que da lugar a la solubilización de sustancias por ataque a los materiales. También es más difícil de tratar por métodos biológicos, que sólo pueden realizarse entre valores de pH de 6,5 a 8,5.

Cloruros: se consideraban como indicador indirecto de contaminación fecal, ya que el hombre elimina unos 6 gr de cloruros al día aproximadamente en las excretas.

Alcalinidad: nos mide la cantidad de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos presentes en el agua.

Nitrógeno: es esencial para el crecimiento de microorganismos y plantas; la limitación de nitrógeno puede producir cambios en la composición bioquímica de los organismos, y reducir sus tasas de crecimiento.

Fósforo: es también esencial para el crecimiento de los organismos. Las formas en que se puede encontrar en las aguas residuales, son ortofosfato, polifosfato y fosfato orgánico.

Azufre: es requerido para la síntesis de proteínas y se libera cuando éstas se descomponen.

Compuestos tóxicos: algunos componentes de las aguas residuales son muy tóxicos para los organismos y microorganismos, y por ello, son de gran importancia en cuanto al vertido y tratamiento. Si se hace un vertido indiscriminado sobre masas de agua receptoras, pueden destruir la biota acuática o acumularse en ella, afectando a la cadena alimentaria y pudiendo llegar al hombre. Su efecto sobre las plantas de tratamiento biológico puede ser drástico, al morir por contaminación los microorganismos que lo realizan, y paralizarse, por tanto, los procesos.

Metales pesados: algunos de los siguientes se pueden encontrar en las aguas residuales confiriéndoles un carácter tóxico: cobre, cromo, boro, plomo, plata, arsénico, antimonio (efecto cancerígeno), bario (efectos sobre el corazón, vasos sanguíneos y nervios), flúor (fluorosis) y selenio (produce cáncer y caries). Algunos metales como el níquel, manganeso, plomo, cromo, cadmio, zinc, cobre, hierro y mercurio, se encuentran como elementos trazas en muchas aguas, y son necesarios para la vida biológica.

Características biológicas.

Las aguas residuales, dependiendo de su composición y concentración, pueden llevar gran cantidad de organismos. También influyen en su presencia la temperatura y el pH, puesto que cada organismo requiere unos valores determinados de estos dos parámetros para desarrollarse. A continuación se describen los principales grupos de organismos que se pueden encontrar.

Bacterias: pueden ser de origen fecal o bacterias implicadas en procesos de biodegradación, tanto en la naturaleza como en las plantas de tratamiento. Las bacterias coliformes se utilizan como indicador de polución por vertidos de origen humano, ya que cada persona elimina diariamente de 100,000 a 400,000 millones de coliformes a través de las heces, además de otras clases de bacterias.

Virus: proceden de la excreción, por parte de individuos infectados, ya sean humanos o animales. Poseen la capacidad de adsorberse a sólidos fecales y otras materias particuladas, favoreciendo de esta forma su supervivencia durante tiempos prolongados en las aguas residuales. La gran supervivencia de los virus origina la resistencia a algunos tratamientos de aguas residuales, constituyendo un peligro para las aguas receptoras.

Algas: su crecimiento está favorecido por la presencia en las aguas residuales de distintas formas de fósforo y nitrógeno, así como de carbono y vestigios de elementos tales como hierro y cobalto, dando lugar a procesos de eutrofización.

Protozoos: los que se encuentran más frecuentemente en las aguas residuales son amebas, flagelados y los ciliados libres y fijos.

Hongos: la mayoría son aerobios estrictos, pueden tolerar valores de pH relativamente bajos, y tienen baja demanda de nitrógeno. Esto les hace desempeñar una función importante en el tratamiento de aguas residuales industriales.

Soluciones a la Escasez de Agua.

Hay varias soluciones disponibles capaces de afrontar en forma efectiva la escasez de agua. Estas incluyen al reúso de agua, almacenamiento, manejo, conservación y numerosas tecnologías de tratamiento de agua como la desalinización. Por lo general, se deben adoptar una o más soluciones o enfoques en forma conjunta para ser eficaces, en función de si la solución es adoptada por una corporación que depende de la disponibilidad de agua o por una entidad gubernamental. Agregar agua a través del reúso o la desalinización, por ejemplo, no es una panacea. Sin una buena gestión del agua y de adecuadas estrategias para abordar la demanda, que continúa en aumento, la solución será siempre incompleta.

Algunas de estas soluciones: Reúso de Agua y Tecnología de descarga de Cero Líquido.

Varias estrategias y enfoques insurreccionadas para el rehúso de aguas también pueden aliviar la escasez de agua en el caso de industrias y municipios. Estos incluyen el reciclaje y rehúso de agua y el uso de sistemas de descarga de cero líquidos. Cuando se utiliza agua en un sitio industrial con un sistema de circuito cerrado (el agua de la instalación es continuamente utilizada y tratada, luego es reutilizada otra vez sin ser liberada en las cloacas o descargada) generalmente se la refiere a la instalación como de descarga cero.

El agua reciclada o regenerada puede utilizarse en una variedad de aplicaciones en las industrias, tanto dentro de las instalaciones como en la propia comunidad. Las aplicaciones típicas para el agua reciclada incluyen riego superficial de huertos y viñedos, campos de golf, riego de áreas paisajísticas y de cultivos alimentarios. Otros usos incluyen la recarga de agua subterránea, preservación o aumento de ecosistemas tales como humedales o hábitat marino y en procesos industriales. El agua no potable puede utilizarse para la limpieza de inodoros, para el riego de jardines, lavado de vehículos y calles y otros propósitos similares.

Estos sistemas permiten que las aguas residuales, que generalmente se ven como una materia inútil y desechable, puedan convertirse en un recurso valioso. Grupo Awainnova NGC, con la Tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A. y amplia experiencia en el tratamiento avanzado de agua de proceso y aguas residuales para su re-utilización, ha diseñado sistemas para el rehúso del agua por medio de diversos procesos industriales, agrícolas y municipales. Su tecnología de tratamiento de agua tiene la capacidad de producir agua pura y ultra pura para ser reutilizada en varias aplicaciones, incluyendo la re-circulación como agua potable.

La Tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A. ofrece al mundo una excelente alternativa, completamente efectiva y alto grado de eficiencia y viabilidad.

Descripción de la Tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A. para tratamiento de agua residual.

La tecnología de Electro-Floculación con Electrodos tipo D.S.A. aplica la electroquímica, la cual es la rama de la química dedicada al estudio de la interacción y correlación de los procesos químicos y eléctricos mediante las reacciones de óxido-reducción.
 Algunas de las principales técnicas electroquímicas son: electrocoagulación, oxidación electroquímica electro-incineración y procesos de electro-Fenton.

Por ello en este tipo de reacciones se produce básicamente un intercambio entre los electrones de los átomos contaminantes y los iones o moléculas de la solución, mediante la aplicación de una diferencia de potencial, que provoca una fuerte, efectiva y eficiente corriente eléctrica donde los electrones fluyen desde el punto más negativo hasta el más positivo.
 Esta técnica tiene un gran potencial para eliminar las desventajas de los tratamientos clásicos, tradicionales y/o modernos para aguas residuales de cualquier tipo e implica la generación de fenómenos químicos y físicos. Usa electrodos para proveer iones al agua residual que se desea tratar.

El objetivo general es disminuir las concentraciones de componentes contaminantes del agua residual tantos físicos, químicos y biológicos en el efluente mediante un coagulante generado ‘in situ’; esta coagulante se forma por una reacción de oxidación y "sacrifico" de los ánodos.

Cuando un potencial es aplicado a los electrodos, elaborados de diferentes metales y aleaciones especiales con metales como el titanio, tungsteno, níquel, molibdeno, hierro y aluminio, carbón mineral, entre otros muchos, ocurre el siguiente proceso: Los metales del ánodo se disuelven dando origen a iones metálicos, los cuales son hidrolizados inmediatamente para formar hidróxidos y poli-hidróxidos, estas sustancias son excelentes agentes coagulantes. La coagulación se logra cuando estos cationes son atraídos por las partículas negativas presentes en la solución.

La Tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A. implica varias etapas: desestabilización del contaminante, ruptura de enlaces químicos y emulsiones, formación de floculos y/o coágulos, suspensión y sedimentación de partículas; remoción del material contaminante por flotación, sedimentación y filtración.

Etapas de proceso.

Metodología de solución con Electro-Tratamiento.

En principio, es necesario definir las variables de caracterización y diseño del proceso en laboratorio de investigación y desarrollo, por lo general se consideran: caracterización físico-química, caracterización y concentración contaminante de la muestra, valores de conductividad, PH, conductividad eléctrica, DBO₅, DQO, entre otros.

En seguida es importante definir las variables de diseño del equipo, siendo necesario conocer: 

Temperatura de proceso, materiales del equipo, flujo de proceso, determinar geometría de los electrodos, intensidad, densidad, frecuencias y tipo de corriente, voltaje y distancia entre los electrodos y agitación, entre otros.

Componentes del diseño de una planta tratadora de agua residual de Electro-floculación con electrodos tipo D.S.A.

Sus principales componentes son:

Infraestructura básica común:

• Cuerpo contenedor de agua residual.
• Depósito de lodos inocuos.
• Cisterna de agua tratada.
• Infraestructura de conducción de agua residual.
• Infraestructura de conducción de agua tratada.
• Transformación-generación de energía eléctrica.

Equipamiento de la planta tratadora de agua residual con la tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A.:

1.   Reactores de electro-floculación principales.
2.   Reactores de electro-floculación secundarios (en función del grado de limpieza objetivo.
3.   Fuentes de poder rectificadoras de voltaje y corriente.
4.   Equipos de filtración convencional.
5.   Equipos de filtración de pulido.
6.  Desinfección mediante luz ultravioleta y ozonización.

Diagrama de flujo de proceso. Componentes de la planta de Electro-Tratamiento.

Ventajas de la Tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A.:

Como ventajas sobre los tratamientos convencionales, biológicos, evaporación, físico-químicos, ósmosis inversa y ultrafiltración (entre otros convencionales o tradicionales) que la tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A. aplicada al tratamiento de agua residual ofrece podemos citar los siguientes:

• Alta efectividad y eficiencia en el tratamiento cumpliendo la normatividad ecológica o de salubridad se vaya aplicar.
• No permite la generación de malos olores ni proliferación de insectos o fauna indeseable.
• No genera ruidos de equipos de proceso fuera de los límites permisibles.
• Requiere de mucho menor tiempo de proceso o residencia para que se produzca el tratamiento objeto.
• Requiere de muy poca superficie ya que emplea equipos muy compactos.
• Equipamiento muy fácil de operar.
• Bajos costos de operación.
• Consumo energético menor.
• Alta eficiencia volumétrica de recuperación de agua casi del 95%.
• Su único insumo importante es la corriente eléctrica, por lo tanto no se presenta una contaminación secundaria.
• Posee características de crecimiento modular para el incremento de volumen de agua a tratar o de la calidad de agua.

Otras dos ventajas muy importantes comparadas con los métodos tradicionales, de la tecnología de Electro-floculación Iónica a bajo voltaje y C.D. con electrodos tipo D.S.A. es que:

• Se caracteriza por mayor versatilidad, flexibilidad arquitectónica, fácil automatización, agrado visual arquitectónico y compatibilidad medio ambiental.
• No tiene posibilidad alguna para la generación de lodos, esto dado que la única materia prima utilizada en su proceso de electro-tratamiento es la energía eléctrica. 

Únicamente recupera lodos producto de la extracción de los sólidos contenidos en el agua residual, estos lodos recuperados se encontrarán en estado completamente inocuo, por lo que no requiere de procesos adicionales de secado o tratamientos adicionales, ya que, como producto del electro-tratamiento, estos lodos inocuos recuperados cumplen ampliamente con toda normatividad de residuos no peligrosos tales como NOM-004-SEMARNAT-2002 y norma NOM-052-SEMARNAT-2005.