Tema 4: La hidrosfera   (part 3)

10. La qualitat de l'aigua

 

10.1. Paràmetres de la qualitat de l'aigua

 

10.1.1 Paràmetres físics

10.1.2.- Paràmetres químics.

10.1.3.- Paràmetres biològics.

11. Sistemes de tractament i depuració de les aigües

 

11.1. L'autodepuració de les aigües

11.2. La depuració artificial de l'aigua

 

11.2.1. Tractament d'aigua per al consum: potabilització.

11.2.2. Depuració de les aigües residuals

 

11.2.2.1. Sistemes de depuració natural o tova.

11.2.2.2. Sistemes de depuració tecnològica o dura.

 

---

10. La qualitat de l'aigua

Quan l'aigua es troba en estat natural als rius, llacs o en el mar, presenta unes característiques que es coneixen com a   qualitat natural. L'home modifica de forma important el cicle global de l'aigua, especialment pels usos consumptius que en fa. Les característiques físico-químiques de l'aigua poden canviar molt i això pot tenir grans. Per a que l'aigua siga útil, cal que presente una sèrie de característiques físico-químiques i biològiques, en funció de l'ús que es faça. Per tot això, l'aigua ha de ser, molt sovint, depurada, tractada i sotmesa a controls de qualitat, abans de ser utilitzada

La qualitat de l'aigua es defineix, en funció sempre de l'ús a que serà destinada (per a beure, per al reg, per a bany, etc.), mitjançant l'establiment d'una sèrie de caràcters o qualitats (olor, sabor, etc.), o en relació amb el seu estat natural. Per mesurar la qualitat de l'aigua s'empren determinats paràmetres i índexs que ens permeten quantificar el grau d'alteració de les seves característiques naturals.

 

10.1.- Paràmetres

Els paràmetres són indicadors de les característiques i de les propietats que els diferents contaminants poden proporcionar a l'aigua, pel que són d'utilitat per a determinar el grau i origen de les alteracions de la seva qualitat. Es classifiquen en físics, químics i biològics.

9.1.1 Paràmetres físics

 

- Conductivitat. Integra les substàncies de caràcter iònic (sals) presents en l'aigua. a major conductivitat, major salinitat

- Temperatura. L'òptima per al consum deu estar compresa entre 8 i 15 ºC. Exerceix efecte sobre altres paràmetres com solubilitat de gasos i sals, conductivitat, pH, etc.  Aquest paràmetre mesurarà la possible contaminació tèrmica originada per instal·lacions industrials, està relacionada amb la quantitat d'oxigen dissolt o amb l'ateració de l'activitat biològica

- Substàncies flotants i sòlids dissolts. No deu superar els 30 mg/l.

- Transparència o turbidesa, color, sabor i olor. Aquests paràmetres ens indiquen la presència de partícules sòlides, matèria orgànica o microorganismes.

9.1.2.- Paràmetres químics.

Aquests són els més útils per a determinar la qualitat de l'aigua. Existeix una gran varietat d'ells, entre els quals vam destacar els més utilitzats, que són:

 

- Concentració de clorurs (sabor desagradable), sulfats (corrosió), sodi (tensió arterial alta), potasi, alumini (destrucció de cèl·lules), fluor (prevenció de caries) i altres metalls i anions tòxics. Es consideren indicadors indirectes de contaminació fecal als nitrats, nitrits, amoníac, clorurs i matèria orgànica, entre altres.

- Oxigen dissolt (OD). La seua proporció en aigües netes està al voltant de 10 ppm. La seva presència és fonamental per al desenvolupament de la vida aquàtica. Les aigües superficials netes estan saturades d'O 2 , però si es realitzen abocaments de material orgànic, aquesta quantitat disminueix en ser utilitzat aquest element per a la seva oxidació. Un contingut d'OD <4ppm indica aigües molt contaminades

- Demanda biològica d'oxigen (DBO). És una mesura de la quantitat d'O2 que els microorganismes necessiten per a oxidar la matèria orgànica (Fig.17)

Fig. 17. Degradació biològica de la matèria orgànica en un medi aerobi.

 

Aquest procés d'oxidació és lent i els compostos orgànics s’oxiden gairebé completament en cinc dies. Existeixen diferents formes de determinar aquest paràmetre, sent la més freqüent la referida al període d'incubació de cinc dies, la DBO5 . Es realitza en la foscor i a 20 ºC. Es calcula restant de l'oxigen inicialment dissolt l'obtingut després de la incubació.

Matèria orgànica + 02 ------------>Matèria inorgànica oxidada + CO2 + H2O

Alguns valors significatius de DBO5 són:

 

- Rius no contaminats: 3 mg/l.
- Rius molt contaminats: 10 mg/l.
- Aigües residuals domèstiques: 300 mg/l.
- Aigües residuals industrials: diversos milers.

- Demanda química d'oxigen (DQO). És un assaig d'oxidació de tot el que puga tenir una demanda d'O2, especialment les sals minerals oxidables (sulfurs ...), i la majoria de compostos orgànics, biodegradables o no, per l'acció d'agents químics, oxidats en un medi àcid i en presència de catalitzadors inorgànics. La relació entre els valors DBO i DQO ens indica el tipus de contaminació en aigües residuals. DBO/DQO menor de 0,2 ens informa d'un abocament de tipus inorgànic, mentre que si és major de 0,6 l'abocament és orgànic.

- Carboni orgànic total (COT). És el contingut total de compostos orgànics, i s'obté mesurant el CO2 produït per la mostra en un forn a alta temperatura

- pH. Mesura el grau de l'acidesa i basicidad del medi per mitjà de la concentració d'ions H+ presents en l'aigua. Les reaccions químiques i biològiques depenen del pH, i l'activitat biològica normal en l'aigua es desenvolupa en uns valors de pH que oscil·len entre 6 i 8,5. L'aigua potable deu tenir un pH entre 7 i 8,5, encara que es tolera antre 6,5 i 9,2

-Duresa. Expressada en concentració de CaCO3, es deu a la presència d'ions Ca 2+ i Mg 2+ i suposa alguns riscos per a la salut, com l'augment de càlculs renals i una sèrie de perjudicis derivats del fet que les aigües dures requereixen més despeses de sabó i més energia en processos industrials (mireu les etiquetes dels detergents)

Aigües dures i toves Es denominen aigües toves les que posseeixen una concentració menor a 50 mg/l de CaCO3; i aigües dures a les que tenen concentracions superiors a 200 mg/l de CaCO3. L’OMS recomana que l'aigua de beguda es mantinga entre uns límits de 100 a 500 mg/l de CaCO3

 

9.1.3.- Paràmetres biològics.

El control microbiològic de l'aigua es centra en les espècies patògenes per a l'home. Atès que buscar tot tipus de microorganismes patògens, per la seva diversitat, és costós i complicat, es realitza un control de l'aigua a través d'indicadors microbiològics de contaminació. Principalment es comptabilitza els microorganismes d'origen fecal com coliformes, Streptococcus fecals i Clostridiums sulfito-reductors. Es significativa la relació entre coliformes i Streptococcus fecals, ja que si és major de 4 es tracta d’una contaminació d’origen humà i si es major de 0,7 és d’origen animal.

Existeixen també altres indicadors biològics de contaminació, que són espècies que la seua presencia és orientativa sobre els nivells de contaminació i les variacions en les poblacions per alteració del medi aquàtic (Fig. 18).

 

Fig. 18. Indicadors biològics de contaminació

 

11. Sistemes de tractament i depuració de les aigües

11.1. L’autodepuració de les aigües

L'aigua presenta com una de les seves propietats més importants la de poder regenerar l'equilibri dels seus elements físics, químics i biològics quan la contaminació no és excessiva. Els contaminants sofreixen un procés de dilució que constitueix el principal mecanisme d'autodepuració de les aigües. Per altre costat, la digestió biològica de la matèria orgànica ocupa un paper molt important en l'autodepuració, portant-se a terme fonamentalment per bacteris, que produeixen la degradació de la matèria orgànica existent per a la seva conversió en matèria inorgànica, que servirà com a nutrient a les algues, fent augmentar la seva activitat fotosintètica i enriquint d'O2 l'aigua. També intervenen en aquesta autodepuració oligoquets i larves de dípters. La concentració de matèria orgànica no deu superar els 0,5 grams per litre.

L' autodepuració és un procés que té lloc aigües avall del punt on s'ha produït el vessament. Amb el temps, les aigües tornaran a presentar les característiques que tenien abans del vessament. En aquest procés es donen reaccions de tipus físico-químic i biològic. Al llarg dels procés, els sòlids en suspensió procedents del vessament es van sedimentant, les substàncies solubles es dilueixen i la matèria orgànica és oxidada pels organismes aerobis. Tanmateix determinats bacteris patògens, metalls pessants i altres substàncies inorgàniques poden romandre molt més temps, com a contaminació residual i limitar, per tant, els usos de l'aigua fluvial.

Fig. 19: Diferents zones d'autodepuració d'un riu després d'un abocament orgànic

 

En els mecanismes naturals d'autodepuració d'un riu es distingeixen quatre zones segons la seva contaminació i fase de depuració amb pobladors (fauna i flora) i característiques físico-químiques molt diferents. Anem a posar un exemple d'un abocament amb important presència de matèria orgànica: (Veure fig. 18)

•  Zona de degradació Zona inmediatament aigües avall de l'abocament. Presenta un aspecte brut, antiestètic i amb mala olor. Desapareixen les formes de vida més delicades(alguns peixos i algues), i apareixen altres més resistents (carpes i aus que s'alimenten dels residus) Comença la descomposició bacteriana, la qual consumeix oxigen. Disminueix el contingut en oxigen (OD) fins a 4ppm i augmenta la DQO.

•  En la zona de descomposició activa (zona sèptica) les aigües apareixen ennegrides, amb escumes, i putrefactes. El contingut en oxigen (OD)   és molt baix (en algunes zones és nul) i la DBO és molt elevada. Existeix una descomposició anaeròbia que provoca un despreniment de gasos (CH 4 ). els organismes vius d'aquesta zona es diuen polisaprobis (veure la fig.18)

•  La tercera zona és la de recuperació . L'aigua comença a recuperar el seu acpecte natural: reapareixen els vegetals i l'aigua es clarifica. Tot això a causa de la presència d'oxigen dissolt (barreja aire-aigua en moviment o procedent de l'activitat fotosintètica), que ajuda a degradar els compostos contaminants. Els animals tornen a colonitzar les aigües.

•  Finalment, la zona d'aigües netes , on es donen les característiques físic-químiques i la presència d'animals i vegetals d'acord amb la naturalesa del riu

 

11.2. La depuració artificial de l'aigua

11.2.1. Tractament d'aigua per al consum: potabilització.

La potabilització és el conjunt de processos que transformen les aigües naturals en aptes per al consum, és a dir, potables. En ella s'eliminen o ajusten les concentracions dels seus components perquè no suposen un factor de risc per a la salut humana i no tinguen característiques organolèpticas repulsives. El tractament dependrà de les condicions de l'aigua de partida i de la xarxa que la distribuirà posteriorment. Els principals processos que es poden donar en una estació potabilitzadora d'aigües (I.P.A.) són:

 

1 - Captació: de forma pràctica es poden considerar quatre modalitats d'aigua d'acord amb la seva captació, que condicionen el seu tractament per a fer-les potables. Aquestes són:

 

- Aigües de precipitació, de pluja o neu, solen ser potables, però és aconsellable la seva desinfecció.
- Aigües superficials continentals, En els rius la captura deu fer-se aigües dalt de la població que es va a abastir, en la part central del llit i pròxima a la superfície. En els llacs i embassaments es farà en zones airejades que afavoreixin l’autodepuració i pobres en substàncies flotants.
- Aigües subterrànies, fonts, pous ..., es podrien considerar pures, però en la pràctica no és així. Es deu evitar l'arrossegament de terra pel bombament.
- Aigua de mar, actualment, pel seu elevat cost, no és aconsellable si existeix altra alternativa. En Espanya hi ha plantes desaladoras, especialment a Canàries.

2- Tamiztació: per a eliminar la major quantitat de materials que per la seva grandària i naturalesa podrien crear problemes en tractaments posteriors. Es realitza mitjançant reixes i sedassos de diferent grandària, normalment autonetejables periòdicament.

3- Preoxidació: s'introdueix en l'aigua un agent químic oxidant que reacciona amb les matèries orgàniques i inorgàniques dissoltes en l'aigua, susceptibles de ser eliminades per oxidació. Els agents oxidants normalment utilitzats són aire atmosfèric (pel seu contingut en oxigen), clor, dióxid de clor, permanganat potàssic, ozó i aigua oxigenada, bé sols o en combinació.

4- Predecantació: en aigües superficials molt carregades en arenes o fang, amb o sense l'addició de reactius o floculants per fer que totes les partícules col·loidals, (les quals, per la seva petita grandària i càrrega no sedimentarien mai, sent responsables, en gran mesura, del color i la terbolesa de l'aigua) que duu l'aigua s'ajunten en coàguls i floculen, i afavorir la seua sedimentació en un temps adequat per simple gravetat.

5- Aireació : per a desprendre substàncies volàtils com CO2 i H2S, o afavorir tractaments posteriors.

6- Filtració en arena : En aquest procés es retenen les petites partícules que no han estat extretes en la decantació. Les petites partícules queden retingudes en els buits existents entre els grans d’arena, en passar l'aigua a través d'un jaç d'aquest material.

7- Neutralització L'acidesa de l'aigua s'ajusta mitjançant l'addició de reactius químics apropiats (calç o sosa). L'objectiu és que el pas de l'aigua no corroisca les canonades o provoque deposició d’incrustacions a la xarxa de distribució.

8- Desinfecció : totalment necessària en aigües de consum públic, per a garantir el seu grau de potabilitat fins l'aixeta del consumidor. La seva finalitat és destruir els organismes patògens de transmissió hídrica. Encara que existeixen processos mecànics (filtració per membranes) o físics (calor, radiacions ultraviolada o ionitzants) que només s'utilitzen a petita escala, són els procediments químics els més utilitzats per la seva eficàcia, cost i simplicitat de maneig. Els desinfectants químics solen actuar per oxidació i trencament de la paret cel·lular desintegrant a l'organisme o interferint l'activitat cel·lular. El procediment més estès és la cloració, atès que el clor és un poderós oxidant i desinfectant, és barat i fàcil de controlar, però presenta com inconvenient que aporta sabor desagradable a l'aigua. Per a disminuir els efectes negatius del clor s'utilitza una desinfecció mixta amb ozó, que és més efectiu i no produeix compostos tòxics. L'ozó és més car, i gairebé no té acció residual, ja que desapareix als 30 minuts, pel que es completa la seva acció amb el clor.

9- Filtració sobre carbó actiu: un filtre de carbó reté, en els seus microporus interiors, les molèculas que poden donar a l'aigua dolents olors i sabors. El carbó pot ser utilitzat en pols o en gra.

10– Estovament: algunes aigües, per la seva duresa, han de ser sotmeses a un procés químic d'afini per a l'eliminació de les seves sals de calci i magnesi. A més de proporcionar una major qualitat a l'aigua, evita possibles problemes en la xarxa de distribució (incrustacions de calç).

 

11.2.2. Depuració de les aigües residuals

Els sistemes de depuració de les aigües contaminades o residuals consisteixen en una sèrie de procediments que tracten de retornar a l'aigua, una vegada emprada per a diferents usos, amb unes característiques físiques, químiques i biològiques molt semblants al seu estat natural, o almenys amb unes característiques que facen possible que el receptor i els seus mecanismes d’autodepuració recuperen aquest estat natural.

11.2.2.1.Sistemes de depuració natural o tova.

Els sistemes de depuració natural es basen a reproduir els processos d’autodepuració sota condicions especials (per exemple les basses artificials). Aquests mecanismes requereixen poc despesa d'instal·lació i manteniment, ja que tot just empren equips mecànics o elèctrics, i són adequats per a zones amb pocs recursos econòmics. Entre els mètodes emprats vam destacar la construcció de llacunes artificials, poc profundes, que s'omplen amb l'aigua objecte de depuració. Aquesta hi roman allí durant mesos, en els quals té lloc una sedimentació de materials sòlids en suspensió i una degradació de la matèria orgànica per via aeròbia o anaeròbia, portada a terme en dos tipus de llacunes diferents pels microorganismes presents en l'aigua. El temps i l'acció d'aquests microorganismes duu a una depuració de l'aigua contaminada.

Fig.20: Depuració per llagunatge

11.2.2.2. Sistemes de depuració tecnològica o dura.

La depuració tecnològica es realitza per mitjà d'un conjunt de mecanismes existents en les estacions depuradores, en les quals s'utilitza una sèrie de processos físics, químics i biològics, combinats o aïllats, amb la finalitat d'aconseguir una concentració o transformació dels contaminants presents en l'aigua residual, de forma que aquests puguen ser eliminats o reduïts, i es retorne al receptor aigua amb alteracions mínimes.
Aquests sistemes requereixen unes inversions grans en instal·lacions, equips i energia, per aquest motiu existeixin dificultats per a una major extensió de la seva aplicació en països o poblacions amb baixa potencialitat econòmica i social. L'avantatge que presenten respecte als sistema de depuració tova és la major rapidesa i major volum de la depuració.
No totes les instal·lacions i equips de les plantes depuradors són iguals, ja que les característiques i processos que realitzen depenen de la naturalesa de l'aigua residual a depurar, és a dir, si és procedent exclusivament d'usos domèstics o si conté abocaments agrícoles i industrials, i del volum d'aigua residual a depurar (m3/dia).

En una estació depuradora d'aigües residuals (E.D.A.R.) convencional (fig. 21) podem diferenciar :

a) La línia d'aigua. És el camí que recorre l'aigua residual des de la seva arribada a la instal·lació, passant per distints tractaments, fins el seu abocament final al receptor.
b) La línia de fangs o llots. Resulta de concentrar els contaminants presents en l'aigua residual, que segueixen un recorregut diferent dintre de la depuradora i tenen altres tractaments.
c) La línia de gas. Està formada pel procés al que és sotmès el biogàs generat en el tractament dels llots o fangs.

11.2.2.2.1. Línia d'aigua.

Els tractaments que constitueixen la línia d'aigua són:

1. Pretractament . És la separació de sòlids en suspensió o flotants de gran mida i densitat (draps, pals, fulles, plàstics, arenes, pedres, etc), que arriben al col·lector d'entrada de l'estació depuradora Es realitza amb reixes i sedaços seguir de desarenadors i desengreixadors

2- Tractament primari. Consisteix en la separació, per mitjans físics, de sòlids en suspensió i material flotant que no han estat retinguts en el pretactament.

 

a- Sedimentació primària . té lloc als decantadors primaris, una espècie de piscines on se separen per gravetat els sòlids en suspensió de major densitat (60% dels sòlids en suspensió i 30% de la matèria orgànica). els fans decantats són retirats periòdicament i passen a la línia de fangs

b- Flotació amb aire : S'introdueixen bombolles fines d'aire en l'aigua redidual per eliminar sòlids en suspensió amb una densitat pròxima a la de l'aigua, així com greixos

c- Coagulació i floculació :   Les partícules col·loidals presents en l'aigua es desestabilitzen amb l'ajuda de coagulants i s'agrupen en flòculs que són retirats per decantació o flotació

d- Neutralització : Adjusta el pH a un valor idoni per als tractaments posteriors

3  Tractament secundari. És un conjunt de processos biològics (duts a terme per microorganismes) per eliminar la matèria orgànica present en l'aigua residual i per reduir la DBO. La reacció es basa en la descomposició aeròbia de la matèria orgànica, de forma semblant al que passava de forma natural als rius (autodepuració)

Matèria orgànica + microorganismes + oxigen 4444 CO 2 + H 2 O + nous microorganismes

 

a- Fangs actius , que consisteix a col·locar l'aigua residual en dipòsits de grans dimensions sota condicions aeròbias, de manera que els bacteris presents en l'aigua o les quals s'afegeixen per a agilitar el mecanisme degraden la matèria orgànica mitjançant processos d'oxidació. Per a això es necessita un aport d'oxigen que es realitza mitjançant turbines o difusors. Això dóna lloc al creixement de microorganismes (bacteris, fongs, etc.) que són eliminats per un sistema de decantació secundària. Amb aquest procés s'elimina un 90% de la DBO

b- Fangs bacterians : consisteix en fer passar l'aigua residual per un filtre de uns quants metres d'alt ple de pedres que presenten bacteris descomponedors en la seua superfície

c-Desinfecció. És un tractament final destinat a evitar problemes de salut a causa de l'existència de bacteris i virus patògenos en l'aigua.. Se solen aplicar processos com la cloració, que empra clor en forma de gas, i la ozonització,

4  Tractament terciari. Tenen com a finalitat eliminar determinats contaminants específics que romanen després del tractament secundari, com són els metalls pesants, el P, el N, isòtops radioactius, etc. s'utilitzen diversos mètodes especíofics (intercanvi iònic, ultrafiltració, osmosi inversa, etc) que són molt cars, de manera que solament s'utilitzaran quan siga necessari

Com resultat dels processos que ha estat sotmesa l'aigua residual, s'ha originat una concentració de contaminants, d'aparença líquida, que es denominen fangs o llots, el tractament dels quals es realitza en la línia de fangs, com analitzarem a continuació.

11.2.2.2.2. Línia de fangs

Comprén els següents processos:

1. Espessament de fangs , la finalitat dels qual és reduir el volum dels mateixos eliminant la major part de l'aigua que contenen, el que facilita el seu ús i el rendiment dels tractaments posteriors. Per a això s'empren els espessadors, que es basen en mecanismes de gravetat o flotació.

2. Destrucció de la matèria orgànica present en ells. Aquest procés es pot realitzar per via aeròbia o anaeròbia. En l'estabilització aeròbia es produeix l'oxidació de la matèria orgànica present en els fangs, per a això es necessita un aportament d'oxigen, i s'airegen els fangs de forma que els microorganismes puguen actuar. En l'anaeròbia s'obtenen gasos, com el metà i el dióxid de carboni, que formen l'anomenat biogás, utilitzat en l'actualitat en alguns processos industrials com combustible.

  3 . Deshidratació, mitjançant assecat, filtres premsa i centrifugació, per a eliminar l'aigua que encara contenen els fangs. Aquests poden ser recollits per al seu trasllat a abocadors ( evacuació ), o sofrir processos d'incineració o fabricació de compostatge per a la seva posterior aplicació a l'agricultura. (si no conternen elelments tòxics)

11.2.2.2.3. Línia de gas

El gas resultant de la digestió de fangs constitueix l'anomenada línia de gas, ja que pot ser reutilitzat per a aportar part de l'energia que la planta depuradora necessita per al seu funcionament. El gas que no és utilitzat se sol cremar en una torxa que té les estacions depuradores. 

Tractament de les aigües residuals urbanes en una EDAR
1. Pretractament	2. tractament primari	3. tractament secundari o biològic	4. Tractament terciari	5. Tractament de fangs
Eliminació sòlids de mida gran Desengreixat Dasarenat	Missió Elimina, per mitjans sòlids, les partícules en suspensió en decantadors primaris	Missió Elimina substàncies orgàniques en decantadors secundaris (amb i sense O 2 )	Missió Elimina Metalls pesants P, N Isòtops radioactius	Mètodes Concentració en espessadors Eliminació en digestors (amb i sense O 2 ) de la matèria orgànica amb producció de biogàs (CH 4 i CO 2 ) Assecat Incineració
Mètodes Sedimentació primària Flotació amb aire Coagulació i floculació Neutralització ó	Mètodes Fangs activats Fangs bacterians Desinfecció	Mètodes costosos Adsorció Intercanvi iònic Ultrafiltració	Aplicacions Compost Obtenció energia. biogàs

 

Fig. 19: Quadre resum d'una depuradora d'aigües

Fig. 20: Principals processos que tenen lloc en una depuradora d'aigües

 

Fig. 21: Plànol d'una depuradora

 

Tornar a la pàgina principal de CTMA