Alberto Bouzas Blanco - Bases d'enginyeria ambiental

Per presentar els conceptes bàsics de l’enginyeria ambiental es dóna tot seguit un exemple de sistema de tractament en què es presenta a partir d’un cas concret el concepte d’operació unitària, que es desenvoluparà en el següent apartat.

En la figura 1.2 s’ha representat l’esquema d’una estació depuradora d’aigües residuals urbanes. La selecció d’operacions unitàries en cada etapa de depu-ració depèn de diversos factors, la qual cosa implica múltiples esquemes de tractament possibles. Cal insistir en el fet que es tracta d’un exemple entre les infinites possibilitats disponibles.

El sistema de depuració produeix separacions i/o transformacions de components inicialment presents en l’aigua residual i produeix diverses línies de flux de matèria al llarg de la instal·lació. En el diagrama de flux de la figura 1.2 s’ha representat cada operació amb un rectangle. Aquests rectangles estan units per fletxes que indiquen el sentit de circulació dels materials –de forma contínua– d’una etapa a l’altra. A l’interior de cada rectangle s’indica el nom de la transformació que hi té lloc.

Abans d’analitzar el diagrama de flux cal recordar que l’aigua residual de tipus domèstic té com a principals agents contaminats compostos orgànics que s’hi troben en suspensió, en dispersió col·loïdal i/o en dissolució, per la qual cosa s’empra un reactor biològic. La resta d’operacions són necessàries per condicionar l’aigua per tal que es puga desenvolupar la transformació biològica i per tractar el residu sòlid generat. (Pregunta per al lector: quin problema produeix la presència de matèria orgànica en l’aigua?)

La primera operació que es du a terme en entrar l’aigua en brut a l’estació depuradora, segons es pot observar en el diagrama, és el desbast. Rep aquest nom l’operació d’eliminació de sòlids gruixuts que poden fer malbé les instal·lacions de tractament. Consisteix a fer passar l’aigua residual a través d’enreixats i tamisos. L’enreixat consisteix en una sèrie de barres d’acer verticals o inclinades, separades a distàncies iguals al llarg del canal per on circula l’aigua residual. En circular l’aigua entre les barres, els sòlids hi queden retinguts i són separats mitjançant una operació de neteja de forma manual o automàtica.

Al desarenador se separen partícules minerals amb un pes específic superior al dels sòlids orgànics com ara grava, arenes, etc. L’eliminació d’aquests materials del corrent d’aigua residual permet protegir els elements mecànics mòbils de l’abrasió i del desgast, reduir la formació de pòsits de material pesant a l’interior dels canals, de les canonades i de les conduccions, i reduir la freqüència de neteja dels digestors, requerida per l’excessiva acumulació d’arenes.

Les aigües residuals sempre porten una important quantitat de greixos i olis que cal eliminar ja que produeixen diversos problemes durant el procés de tractament d’aquestes: provoquen obstruccions de sistemes mecànics; en tractar-se de compostos orgànics, incrementen les necessitats del tractament biològic; redueixen el coeficient de transferència d’oxigen als processos biològics; pertorben la posterior separació de fangs, i dificulten el procés de digestió d’aquests darrers. El desgreixament se sol dur a terme mitjançant la introducció d’aire en el corrent d’aigua per tal d’afavorir el trencament de la dispersió, de forma que les partícules de greix es desplacen a la superfície de l’aigua per la seua menor densitat. També es possible eliminar els greixos en la sedimentació primària, on no cal emprar aire atès que l’elevat temps de retenció de l’aigua en el clarificador primari possibilita la deposició superficial del greix.

Aquest conjunt d’operacions rep el nom de pretractament, l’objectiu principal del qual és condicionar l’aigua mitjançant l’eliminació dels materials que podrien causar problemes en les instal·lacions del tractament posterior.

A continuació se sotmet l’aigua al tractament primari. En l’exemple considerat consisteix en una decantació o sedimentació primària amb la qual se separen els sòlids en suspensió sedimentables del corrent d’aigua (al voltant del 60% del total de sòlids), per a la qual cosa es redueix la velocitat de pas de l’aigua. En sedimentar aquest material, malgrat que la major part és de caràcter mineral, arrossega i adsorbeix en la caiguda certa quantitat de matèria orgànica.

El principal agent contaminant de l’aigua residual domèstica (material orgànic, principalment soluble i col·loïdal) encara hi és present després del pretractament i del tractament primari. La degradació de la matèria orgànica té lloc al reactor biològic, que és el nucli principal d’una estació depuradora d’aigües residuals. Aquest reactor por tenir múltiples configuracions, d’entre les quals el procés de fangs activats de mescla completa és el més utilitzat al nostre entorn. Consisteix en un tanc agitat per tal de mantenir en suspensió la mescla de reacció (aigua residual i microorganismes), i airejat per tal de treballar en condicions aeròbies.

Al reactor té lloc la degradació biològica del material orgànic per part dels microorganismes heteròtrofs (principalment bacteris). La matèria orgànica s’utilitza com a font d’energia (catabolisme) i de carboni (anabolisme) pel metabolisme de la població microbiana. Així, part de la matèria orgànica inicial s’oxida completament en productes inerts (CO2 + H2O) i una altra part es transforma en material cel·lular. Malgrat ser un agent contaminant orgànic, les cèl·lules formades presenten la important característica de ser separables per decantació. Cal, doncs, un sistema de sedimentació per separar la matèria orgànica del corrent d’aigua residual (decantador secundari). D’aquesta forma s’obté un corrent amb una concentració baixa de matèria orgànica (aigua tractada) i un altre corrent amb una concentració alta de biomassa (microorganismes) que es recircula cap al reactor amb la finalitat de mantenir una concentració adequada de població microbiana en el sistema. Part del corrent de recirculació es purga per regular el funcionament del reactor i eliminar l’excés de biomassa (fangs) produïda, que se sotmet a un tractament posterior abans del seu abocament o disposició.

Després d’un tractament en el qual s’ha eliminat la matèria orgànica i els sòlids en suspensió, el corrent depurat conté una quantitat de microorganismes com ara virus, bacteris, paràsits, que poden ser portadors de malalties. Caldrà, doncs, una major protecció en el cas que la vessada del corrent d’aigua residual tractada es done a zones sensibles com ara zones de bany, zones de provisió de rec, zones d’aqüicultura, etc. En aquests casos normalment es fa una desinfecció química mitjançant addició de clor (cloració). El procés de destrucció de microorganismes depèn, a més de la quantitat de clor residual en l’aigua, del temps de contacte. Així, per fer una bona desinfecció es recomana un període mínim de contacte de quinze minuts.

Els fangs produïts en el tractament primari i biològic es caracteritzen per tenir un alt contingut de matèria orgànica, la qual cosa fa que no es puguen abocar directament sense un tractament previ. Cal una estabilització que disminuïsca la fracció de matèria orgànica degradable i reduïsca el contingut de microorganismes patògens. Aquesta estabilització es pot dur a terme mitjançant digestió –és a dir, descomposició biològica, aeròbia o anaeròbia– o per altres processos de tipus químic o tèrmic. El sistema més àmpliament utilitzat per estacions depuradores de tipus mitjà o gran és la digestió anaeròbia ja que té un menor consum energètic i permet l’aprofitament del biogàs que es produeix en el procés, encara que la inversió de capital és major que en la digestió aeròbia.