1.2: Calidad de las aguas residuales
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Resultados de aprendizaje
- Comprender el propósito de los permisos NPDES
- Explicar cómo se obtienen los TMDL y cómo mejoran la calidad del agua
- Evaluar la diferencia entre contaminantes químicos y físicos de la calidad del agua
- Describir cómo diferentes contaminantes pueden afectar las masas de agua
Permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (NPDES)
Las plantas de tratamiento de aguas residuales normalmente descargan su agua tratada en un cuerpo de agua que está cerca. Desde 1972, con la aprobación de la Ley de Agua Limpia, es ilegal descargar agua de una fuente puntual a aguas de Estados Unidos a menos que se obtenga un permiso NPDES. Dado que las instalaciones de tratamiento de aguas residuales tienen toda su descarga saliendo de la planta desde una sola tubería de descarga, se considera una fuente puntual. Esto difiere de las fuentes no puntuales que tienen grandes áreas de descarga como escorrentía de campos agrícolas. Un permiso NPDES permite descargar las aguas residuales tratadas en una masa de agua siempre que cumpla con los requisitos del permiso. Estos requisitos pueden incluir límites sobre lo que se puede descargar, la frecuencia con la que se deben tomar muestras y otros requisitos de informes. También puede haber otros requisitos específicos del descargador para asegurar que el agua que se está descargando no dañe la salud pública o el medio ambiente.
Cargas Diarias Máximas Totales (TMDL)
La carga diaria máxima total (TMDL) es un valor calculado de la cantidad máxima de un contaminante específico que un cuerpo de agua puede recibir sin impactar negativamente en ese cuerpo de agua. Por ejemplo, 10,000lbs de contaminante X ocurren naturalmente dentro de una corriente que tiene un TMDL de 50,000lbs para el contaminante X y contiene descargas de fuente de tres puntos. Por lo tanto, se pueden descargar 40.000lbs adicionales de contaminante X en la corriente sin exceder el TMDL. Es trabajo de los escritores de permisos usar los TMDL de un cuerpo de agua y el número total de descargas puntuales de fuente para determinar la asignación de carga de desechos (WLA) para cada descarga e incorporarla al permiso NPDES como límite. Para continuar con el ejemplo, un escritor de permisos podría determinar que con tres descargas puntuales de fuente a cada una se le permitiría descargar 10,000lbs de contaminante X. Esto dejaría un margen de seguridad de 10,000lbs. Entonces, en teoría, la descarga del contaminante X no afectaría negativamente al cuerpo de agua porque la suma de todas las descargas y contaminación natural está por debajo del TMDL del cuerpo de agua.
Sólidos de aguas residuales
Los sólidos que se encuentran en las aguas residuales están compuestos por muchos componentes diferentes, incluyendo material orgánico e inorgánico. Se pueden realizar diversas pruebas de laboratorio para determinar la cantidad total de sólidos. La prueba de sólidos suspendidos totales (TSS) determinará la cantidad total de sólidos que están suspendidos y que son fácilmente sedimentables. Esta prueba se realiza filtrando un volumen específico de las aguas residuales a través de una almohadilla filtrante. El agua y los sólidos disueltos pasarán a través del filtro; y los sólidos sedimentables y los sólidos suspendidos permanecerán en la parte superior del filtro. La diferencia de peso del filtro antes y después de la filtración se utiliza para calcular la cantidad de TSS.
Mientras que todos los sólidos que quedan en el filtro después de la prueba TSS están suspendidos, no todos los sólidos son sedimentables. Los sólidos sedimentables se pueden determinar mediante el uso de un cono Imhoff. Nuevamente, se vierte un volumen específico, típicamente 1,000 mL, en el cono Imhoff y se deja sedimentar. Los sólidos sedimentables se recogerán en la parte inferior del cono Imhoff. Después de una hora, la cantidad de sólidos que se asentaron puede ser determinada por las graduaciones en el cono Imhoff como se ve en la figura a continuación.
El agua que se filtró a través de la almohadilla filtrante durante la prueba TSS todavía contiene sólidos de contaminantes que se disuelven en el agua. Colectivamente esto se puede determinar completando una prueba de Sólidos Totales Disueltos (TDS). Esta prueba toma el agua sobrante de la prueba TSS y la vierte en un plato previamente pesado. Después se evapora el agua del platillo y se vuelve a pesar. A continuación se utiliza la diferencia de peso para calcular el TDS.
Ya sea que los sólidos sean sedimentables, suspendidos o disueltos, las aguas residuales generalmente están compuestas por menos de 1% de sólidos. El otro 99% es solo agua. El foco del resto de este texto será tratar el 1% de sólidos en aguas residuales. La diferencia en el tipo de sólidos determinará qué tipo de proceso de tratamiento se utiliza. Los sólidos sedimentables se asentarán fácilmente durante el proceso de sedimentación primaria. Los sólidos suspendidos requerirán un proceso de tratamiento secundario. El TDS solo se puede eliminar mediante métodos de tratamiento avanzados como filtración por membrana u ósmosis inversa. El TDS no se eliminará mediante métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales.
Demanda bioquímica de oxígeno
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es una medida de la cantidad de material orgánico que hay en las aguas residuales. Cuando las aguas residuales con altas cantidades de DBO se liberan a un cuerpo de agua, el material orgánico consumirá el oxígeno disuelto en el cuerpo de agua. Si el DBO excede el TMDL del cuerpo de agua, entonces los niveles de oxígeno pueden agotarse por completo. Sin el oxígeno disuelto, los peces y otras especies acuáticas no podrán sobrevivir.
La prueba BOD5 se completa en un laboratorio tomando una muestra de aguas residuales y midiendo la concentración de oxígeno disuelto. La muestra se mantiene en un recipiente hermético en un refrigerador ajustado a una temperatura de 25C, después de 5 días, sí, por eso hay un subíndice 5 en BOD5, la concentración de oxígeno disuelto se mide nuevamente. La diferencia en las concentraciones de oxígeno es la cantidad de oxígeno que consumió el material orgánico en las aguas residuales. Cuanto más material orgánico haya, mayor será el DBO5.
La prueba BOD5 es la prueba estándar que se utiliza para medir la contaminación orgánica en aguas residuales. Es uno de los principales componentes regulatorios en un NPDES. Sin embargo, tiene un gran inconveniente que es que se necesitan cinco días para obtener resultados. Otra prueba que da resultados similares es la demanda química de oxígeno (DQO). DQO medirá la cantidad de oxígeno necesario para descomponer el material orgánico así como los químicos inorgánicos. La diferencia entre DQO y BOD5 es que la DQO también medirá otros químicos que se pueden oxidar además de los que son biológicos. Los resultados de laboratorio de DQO se pueden determinar en aproximadamente 6 horas. Si una instalación de tratamiento de aguas residuales solo está tratando desechos de una comunidad que es principalmente residencial y no tiene muchas descargas industriales, entonces la DQO y la DBO5 pueden correlacionarse después de que se analicen una cantidad significativa de muestras una al lado de la otra. El BOD5 se realiza de forma rutinaria para cumplir con los requisitos reglamentarios, mientras que los resultados de DQO se utilizan para el control de procesos para asegurarse de que la planta de
Contaminantes microbiológicos y patógenos
Hay muchos tipos diferentes de microorganismos que se pueden encontrar en las aguas residuales. Algunos de estos microbios son patógenos. Un patógeno es un microorganismo que es capaz de causar enfermedades. Algunos patógenos comunes que se pueden encontrar en las aguas residuales no tratadas son Cólera, Giardia, Streptococcus, E. Coli, Cryptosporidium y Salmonella. Sin embargo, no todos los microorganismos son patógenos y algunas bacterias no patógenas se utilizarán como auxiliar de tratamiento para reducir la cantidad de DBO5 en las aguas residuales.
Una clasificación de microorganismos es un protozoario. Un protozoo es un organismo unicelular y es esencial para los procesos de tratamiento biológico. Las amebas, los flagelados y los ciliados son algunos ejemplos de protozoos que se encuentran comúnmente en muestras de aguas residuales. Las metazoa son organismos multicelulares que también se pueden encontrar en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Algunos ejemplos de metazoas son rotíferos, nematodos, tardígrados (osos de agua). Cuando discutimos los diversos métodos de tratamiento biológico más adelante en este libro de texto, aprenderemos que un examen microscópico de muestras de aguas residuales puede mostrar la salud del sistema de tratamiento comparando las cantidades de organismos protozoos y metazoas.
También se pueden detectar virus en muestras de aguas residuales. Los virus deben tener un organismo hospedador para poder vivir y reproducirse. Desafortunadamente, pueden permanecer latentes en el agua hasta que encuentren tal anfitrión. La hepatitis A y la polio son ejemplos de virus que se pueden encontrar en muestras de aguas residuales. Los virus pueden ser difíciles de identificar en el laboratorio y no se prueban rutinariamente en muestras de aguas residuales.
La bacteria coliforme es la prueba de laboratorio más común que se realiza para determinar el potencial de la presencia de organismos patógenos. Las bacterias coliformes son abundantes en el medio natural y se pueden encontrar en el agua y los suelos. Las bacterias coliformes no son patógenas pero su presencia puede determinar si también pueden estar presentes organismos patógenos. Por ejemplo, si una muestra de aguas residuales analizada tiene grandes cantidades de bacterias coliformes, entonces podemos decir que existe una alta probabilidad de que también haya organismos patógenos en esa muestra. Si encontramos que hay cantidades muy bajas de bacterias coliformes, entonces podemos decir que hay una probabilidad muy pequeña de que también estén presentes bacterias patógenas. Debido a esto, a las bacterias coliformes a menudo se les llama organismo indicador. Los resultados de las pruebas de laboratorio se pueden utilizar para indicar si la muestra tiene el potencial de contener patógenos. Dado que hay tantos organismos patógenos, sería extremadamente engorroso realizar pruebas para cada uno individualmente. En su lugar, es mucho más económico completar la prueba coliforme. Ahora bien, si la prueba coliforme sí indica que hay coliformes presentes, se pueden hacer más pruebas para determinar si también hay bacterias patógenas. Por lo general, la prueba para determinar si E. coli está presente.
Efectos de Eutrofización del Nitrógeno y Fósforo
Las algas generalmente no están presentes en las aguas residuales, pero las aguas residuales pueden contener nutrientes como nitrógeno y fósforo que promoverán el crecimiento de algas en cuerpos de agua. En los sistemas de tratamiento de estanques, las algas se utilizarán para ayudar en el proceso de tratamiento al suministrar oxígeno a bacterias beneficiosas que reducirán el BOD5.
Cuando las aguas residuales tratadas se descargan en una vía fluvial, se debe examinar de cerca la cantidad de nitrógeno y fósforo. Si hay demasiado nitrógeno y fósforo en la masa de agua, puede llevar a una sobreabundancia de algas. Cuando hay demasiado crecimiento de algas, las algas consumirán más oxígeno del cuerpo de agua. Con grandes cantidades de algas consumiendo el oxígeno, no hay suficiente oxígeno para que otros organismos acuáticos puedan sostener la vida. Este exceso de crecimiento de algas resultante del aumento de la carga de nutrientes en un cuerpo de agua se llama eutrofización.
Otros Contaminantes Químicos
Además del nitrógeno y el fósforo, existen otros contaminantes químicos que se pueden encontrar en las aguas residuales. Casi todos los elementos que se pueden encontrar en la tabla periódica se combinarán molecularmente con el agua en las condiciones adecuadas. Colectivamente estos se determinarán al completar el análisis TDS. Hay algunos elementos que nos preocupan particularmente y estas concentraciones se miden de forma independiente.
Los cloruros se pueden introducir en las aguas residuales a partir de sales de carreteras, desechos de alimentos, ablandadores de agua y contaminación natural de las aguas superficiales. Los cloruros se pueden encontrar en el agua como cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de calcio y cloruro de magnesio. Cuando hay niveles excesivos de cloruros en una masa de agua, puede tener efectos adversos sobre los organismos acuáticos. Los cloruros excesivos pueden interferir con los procesos biológicos que ocurren dentro de los cuerpos de los organismos acuáticos de agua dulce.
Los metales pesados que se encuentran en las aguas residuales generalmente provienen de descargas industriales. El acabado de metales, el procesamiento de galvanoplastia, las operaciones de extracción de minerales y las industrias textiles pueden contribuir a metales pesados en las aguas residuales El plomo, el cobre, el zinc, el mercurio, el arsénico, el níquel y la plata son algunos metales pesados comunes que se pueden encontrar en muestras de aguas residuales. Si bien, cualquier metal en la tabla periódica puede encontrar su camino hacia el sistema de alcantarillado. Los metales pesados son una preocupación por su toxicidad en los sistemas acuáticos y efectos adversos en plantas y animales.
El pH de las aguas residuales es muy importante y puede influir en la tratabilidad de las aguas residuales. Si el pH no está entre 6.5 y 8.5, es posible que sea necesario agregar químicos para llevar el pH a ese rango. La alcalinidad es otra característica importante de las aguas residuales. La alcalinidad es la capacidad de las aguas residuales para amortiguar los cambios en el pH. La alcalinidad se mide determinando la cantidad de principios básicos neutralizantes de ácido. Comúnmente se mide en mg de CaCO3 equivalentes por litro. La alcalinidad es fundamental para los procesos de tratamiento físico, químico y biológico que discutiremos a lo largo de este libro. Estos procesos no funcionan bien en condiciones ácidas. Se necesita alcalinidad suficiente para asegurar que el pH se mantenga dentro del rango de 6.5 a 8.5.
Otros contaminantes físicos
El olor, el color, la turbidez y la temperatura son características físicas de las aguas residuales. A diferencia de las características biológicas y químicas discutidas anteriormente, los contaminantes físicos pueden ser observados por los sentidos humanos. Podemos ver cuál es el color, podemos oler si el olor es asqueroso, y podemos sentir si la muestra es cálida o fría. Aunque los equipos de laboratorio pueden ser utilizados para obtener más datos cuantitativos.
Como se puede imaginar, las aguas residuales no tratadas pueden desprender un mal olor. Sin embargo, el olor puede dar a un operador una gran visión. Si las aguas residuales huele a huevos podridos, esto es una señal de que puede haber altas cantidades de sulfuro de hidrógeno en las aguas residuales. En áreas densamente pobladas donde la planta de tratamiento de aguas residuales se encuentra muy cerca de los residentes, los olores pueden ser capturados y enviados a una unidad de tratamiento de aire para reducir los olores objetables de la instalación.
El color también puede proporcionar información sobre lo que está sucediendo en las aguas residuales o de dónde provienen. Un color inusual en las aguas residuales puede indicar una descarga industrial como el tinte de un proceso de fabricación. Si las aguas residuales son oscuras o negras, entonces lo más probable es que haya sufrido condiciones sépticas o anaeróbicas. Las aguas residuales frescas suelen tener un color turbio amarillento/marrón.
La turbidez se puede ver físicamente en muestras de aguas residuales y a menudo se describe como la turbidez en el agua. En el laboratorio se utiliza un nefelómetro para obtener un resultado cuantitativo medido en Unidades de Turbidez Nefelométrica (NTU). Un nefelómetro funciona haciendo brillar una luz a través de la muestra de aguas residuales. Si el agua tiene altas cantidades de turbidez la luz se dispersará y no llegará al detector del otro lado de la muestra. Las altas cantidades de turbidez pueden afectar la efectividad de la desinfección. Las pequeñas partículas que causan turbidez pueden proteger a los microorganismos de entrar en contacto con el desinfectante.