La depuración en pequeñas aglomeraciones urbanas (II): Tecnologías híbridas basadas en la naturaleza
Escrito por Rubén Hervás Martínez
Como se comentó en la primera parte sobre depuración en pequeñas aglomeraciones urbanas, en la actualidad existen un gran número de tecnologías viables para el tratamiento de las aguas residuales generadas en las medianas y pequeñas aglomeraciones urbanas. Grosso modo, las tecnologías disponibles se pueden clasificar en dos categorías: tecnologías intensivas y tecnologías extensivas.
Las tecnologías intensivas se caracterizan porque los procesos de depuración en los que se basan se llevan a cabo de forma secuencial en tanques y reactores y a velocidades aceleradas, gracias al aporte de oxígeno (aire) mediante el empleo de equipos electromecánicos. Es decir, son tecnologías que necesitan menores superficies de depuración, haciendo uso para ello de equipos que consumen energía, que permiten acelerar los procesos y reducir el espacio requerido. Estos sistemas permiten tener un alto control del proceso, ya que se pueden cambiar fácilmente los parámetros de operación. Por el contrario, requieren de un mayor mantenimiento y de personal cualificado ya que la operación y control de los procesos es más compleja.
Por otro lado, las tecnologías extensivas son aquellas en las que los procesos de depuración transcurren a velocidad “natural” (sin aporte de energía) y se desarrollan en un único “reactor-sistema” (Metcalf&Eddy, 2000). El ahorro en energía se compensa con una mayor necesidad de superficie. Estas tecnologías suelen ser sistemas basados en la naturaleza, en los que la depuración se lleva a cabo de manera “natural”, con lo que los consumos de energía son realmente bajos. Al no tener equipos electromecánicos (o los mínimos para la alimentación de los sistemas), las tareas de mantenimiento se simplifican en gran medida, aunque, por el contrario, la capacidad para controlar el proceso de depuración es muy reducida, ya que no disponen de sistemas de control que permitan cambiar las condiciones o variables del proceso.
A modo de ejemplo, entre estas tecnologías, se pueden encontrar:
Tecnologías intensivas:
- Fosas sépticas / Tanques Imhoff
- Aireación prolongada
- Filtro percoladores
- Contactores biológicos rotativos (CBR)
- Reactores secuenciales discontinuos (SBR)
- Sistemas de biomasa fija sobre lecho móvil (MBBR)
- Biorreactores de membrana (MBR)
Tecnologías extensivas:
- Aplicación al terreno
- Filtro intermitente de arena
- Filtros turba
- Lagunaje
- Lagunas de microalgas (HRAPs)
- Humedales artificiales (Horizontales, verticales o en flotación)
Una vez siendo conocedores de la gran variedad de tecnologías disponibles, cada una con sus ventajes e inconvenientes, es importante recordar que cada situación de depuración es particular y, por tanto, hay que estudiar las condiciones específicas de cada EDAR. No existe una mejor tecnología ni soluciones estandarizadas, por lo que la tecnología escogida debe ser la que mejor se adapte a cada desafío.
Esta realidad ha dado lugar a la aparición de tecnologías híbridas, que son tecnologías que tratan de combinar sistemas extensivos con tecnologías intensivas. Es decir, surgen nuevos procesos que introducen modificaciones en los sistemas extensivos consiguiendo reducir la superficie necesaria, acelerando los procesos de depuración “naturales”, permitiendo regular el proceso y mejorando el rendimiento de las tecnologías extensivas. Esto se consigue mediante la combinación de tecnologías o incorporando pequeños elementos “intensivos” a los sistemas.
Figura 1. Tecnologías Extensivas vs Intensivas frente el consumo energético y la superficie requerida por habitante equivalente.
Se trata de buscar un equilibrio entre los sistemas intensivos y los extensivos, reduciendo superficie mediante el aporte de una baja cantidad de energía. Con esta combinación se pueden reducir los gastos de operación y mantenimiento de las tecnologías extensivas, reduciendo al mismo tiempo la superficie requerida y aumentando el nivel de control del proceso. Gracias a esto, tienen un gran alto potencial de aplicación y su implantación puede ser una tendencia en los próximos años.
Dentro las tecnologías basadas en la naturaleza, una de las más extendidas, implantadas y fiables, son los humedales artificiales. Básicamente existen tres clases de humedales: humedales en flotación, de flujo libre o superficial y de flujo subsuperficial . Todos ellos, a su vez pueden, ser de flujo vertical u horizontal (según la alimentación y la dirección de filtración).
De entre estas alternativas, los humedales de flujo vertical son los que están despertando mayor interés, ya que están demostrando los mejores rendimientos de operación, con bajos niveles de atascamiento (menores que en los sistemas horizontales). Entre sus ventajas está que se pueden alimentar directamente con aguas brutas (después de un correcto pretratamiento), se realiza una gestión integrada de los fangos en el propio humedal y es un proceso aerobio con aireación pasiva (por lo que hay ausencia de olores).
Los humedales de flujo subsuperficial verticales, por otra parte, es muy habitual encontrarlos en una configuración llamada “sistema 2 etapas”, un tipo de configuración que utiliza una filtración en dos etapas. Una primera etapa, que se encarga de eliminar sólidos en suspensión y materia orgánica, en la que 3 humedales verticales se alimentan en alternancia y una segunda etapa, de afino, con 2 humedales verticales que se alimentan con la salida de la primera etapa de manera también alterna. Esto permite periodos de alimentación y reposo.
Entre los aspectos más importantes de diseño de estos sistemas, se encuentra el correcto dimensionamiento de la superficie de filtrado, así como el espesor de las capas y el tipo de material de filtración utilizado. En los sistemas de 2 etapas, la primera etapa utiliza entre sus capas filtrantes grava de filtración, para evitar posibles atascamientos, y la segunda etapa utiliza arena para conseguir una filtración más fina.
Entre las ventajas que presentan los humedales de dos etapas son:
- Alta tolerancia a las variaciones de cargas hidráulicas, orgánicas y temperaturas
- Elevados rendimientos en materia orgánica DQO<70 mg/l, DBO5<15 mg/l , SS<15 mg/l, y nitrificación NTK< 10 mg/l
- Eliminación patógenos 1-2 log E. coli
- Bajo consumo ~0,1-0,15 kWh/m3
- Sin bombeos, por gravedad si hay desnivel suficiente
- Proceso aerobio (ausencia de olores)
- Explotación simple, personal no especializado
- Buena integración paisajística
Por la contra, las principales desventajas que presentan son:
- Elevada superficie: 2 m2/he
- Funcionamiento por pulsos con caudal elevado en primera y segunda etapa
- Nitrificación completa. No desnitrificación
- Coste arena/transporte, fundamentalmente arena fina.
Este tipo de configuración fue desarrollada en Francia, donde ya existen más de 3500 instalaciones de este tipo.
Como se ha comentado, los sistemas híbridos tratan de intensificar este tipo de tratamientos extensivos por lo que la tendencia es la combinación de diferentes configuraciones que permitan hacer procesos más compactos, así como la implementación de aireación forzada que permita un mayor control y flexibilidad del proceso.
Un ejemplo de este tipo de tecnologías es el caso del sistema Rhizosph’air® (desarrollado para la empresa Syntea), este sistema se basa en un humedal subsuperficial en dos etapas que combina la alimentación vertical con la filtración horizontal e incorpora un sistema de aireación forzada. Estas combinaciones permiten reducir el área requerida por habitante equivalente y consigue tasas de eliminación de nitrógeno. Además, el control de la aireación permite adaptar el sistema a los cambios de carga.
Entre sus ventajas se encuentra:
- Reducción superficie a <1 m2/he
- Iguales a Sistema de 2 etapas, con aumento de rendimientos de depuración: Eliminación Nt<20 mg/l, DQO< 60 mg/l, reducción patógenos. (reutilización de agua)
- Adaptación a cambios de carga mediante sensor O2 y control aireación
Por otro lado, encontramos otras tecnologías híbridas como la combinación de sistemas intensivos como son los sistemas de pretratamiento anaerobio, reactores tipo UASB, con sistemas extensivos como los humedales. Actualmente se están estudiando las configuraciones que combinan diferentes tecnologías de pretratamiento anaerobio/aerobio como primera etapa y un humedal vertical de segunda etapa para reducir superficie y mejorar rendimientos de eliminación de contaminantes.
También son muy interesantes las tecnologías de lagunas de microalgas de alto rendimiento (High rate algae ponds, HRAPs), donde conviven un consorcio de microalgas-bacterias en la cual mediante los nutrientes que contiene el agua residual y la acción de la luz solar las microalgas pueden proliferar y realizar la fotosíntesis, oxigenando el agua sin necesidad de una acción mecánica externa, y por la cual las bacterias aerobias que conviven en simbiosis pueden degradar la materia orgánica generando CO2 que aprovechan las microalgas para realizar el proceso de fotosíntesis. Esta tecnología presenta altos rendimientos de depuración con muy bajo consumo eléctrico, ya que el proceso solo requiere de energía externa para una ligera agitación. Además, se están estudiando la valorización de las microalgas como subproductos de alto valor añadido.
El desarrollo de tantos procesos híbridos en los últimos años es algo esperanzador. De hecho, actualmente, en España, se están llevando a cabo interesantes proyectos de investigación que estudian el uso de estos sistemas híbridos, con diferentes configuraciones y materiales innovadores como solución a la depuración en las pequeñas y medianas aglomeraciones urbanas. Gracias al fomento y los nuevos avances de estas tecnologías, se vislumbra en los próximos años un futuro prometedor para los retos de depuración en este tipo de localidades, en el que los sistemas híbridos sean aplicados de manera recurrente en España.
Quizás, ahora sí por fin, podemos decir que ha llegado el momento de la depuración de “lo pequeño”.