El principal agent contaminant de laigua 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 duna estació depuradora daigües residuals. Aquest reactor por tenir múltiples configuracions, dentre 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 sutilitza com a font denergia (catabolisme) i de carboni (anabolisme) pel metabolisme de la població microbiana. Així, part de la matèria orgànica inicial soxida 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 daigua residual (decantador secundari). Daquesta forma sobté 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 lexcés de biomassa (fangs) produïda, que se sotmet a un tractament posterior abans del seu abocament o disposició.
Després dun tractament en el qual sha 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 daigua residual tractada es done a zones sensibles com ara zones de bany, zones de provisió de rec, zones daqüicultura, 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 laigua, 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 laprofitament del biogàs que es produeix en el procés, encara que la inversió de capital és major que en la digestió aeròbia.
En la digestió anaeròbia la degradació es du a terme mitjançant un tractament en absència doxigen en el qual es desenvolupa un població microbiana capaç de transformar la matèria orgànica en CO2 i CH4. Nexisteixen diferents configuracions, però la més emprada és la de dues fases. En un primer tanc té lloc la digestió pròpiament dita. Cal escalfar el sistema per treballar a la temperatura adequada i mantenir el medi en suspensió. En la segona fase té lloc lemmagatzematge i la concentració del fang digerit, i continua el procés de fermentació en lestratificació del fang. El líquid sobrenadant produït es recircula al principi de la planta.
Tal com es pot observar en la figura 1.2, abans de dur a terme la digestió dels fangs cal disminuir la fracció líquida amb lobjectiu de minimitzar el volum de matèria que es processa (i, per tant, abaratir la digestió posterior). Aquesta operació física sanomena espessiment. Els fangs es poden espessir de diferents formes, entre les quals hi ha les següents:
Espessiment per gravetat. Es du a terme en equips de disseny molt similar als decantadors de la línia de tractament daigua. Aquest sistema és més adequat per a la concentració del fang primari.
Espessiment per flotació. En aquest cas el fang es concentra en la superfície mitjançant la introducció daire dissolt. Loperació consisteix a dissoldre aire en aigua a alta pressió i despressuritzar laigua al tanc de separació de forma que shi produïsca un deslliurament daire en forma de bombolles molt petites que arrosseguen els sòlids cap a la superfície, des don sextrauen. Aquest sistema resulta més efectiu en el fang secundari, és a dir, el que prové del tractament biològic.
Laigua que se separa dels fangs presenta un alt contingut de matèria orgànica, per la qual cosa cal recircular-la al principi de la planta.
La deshidratació i lassecament són operacions físiques unitàries que serveixen per reduir la humitat o el contingut daigua dels fangs estabilitzats, pas previ a la seua destinació final. Leliminació daigua del fang digerit és necessària com a pas previ en qualsevol de les opcions que es trie per a la destinació final dels fangs: cal reduir la producció de lixiviats si es destinen a un abocador; cal augmentar el poder calorífic si sempra la incineració, i cal reduir els costos de transport en qualsevol de les opcions.
Lesquema que es presenta en la figura 1.2 és només un cas concret entre les múltiples variacions que podrien plantejar-se per al tractament de laigua residual. Entre les diverses alternatives a lesquema proposat es poden apuntar les següents:
Digestió aeròbia dels fangs (estacions depuradores amb poc volum de tractament).
Treballar amb el reactor amb alta càrrega i prescindir de la decantació primària.
Diferents opcions de reactor biològic: mescla completa, flux de pistó.
Mesclar fangs primaris i secundaris abans de lespessiment.
Deshidratar el fang mitjançant eres dassecament, si lespai disponible ho permet, amb la qual cosa es pot obtenir un considerable estalvi energètic.
Tractament fisicoquímic amb addició de reactius que potencien la floculació de material col·loïdal i, per tant, laugment de la capacitat deliminació del decantador primari.
Introduir sistemes biològics avançats per tal daconseguir leliminació de nutrients (nitrogen i fòsfor) que causen els problemes deutrofització tan freqüents al nostre entorn, amb lexemple paradigmàtic de lAlbufera.
1.3 Operacions unitàries. Definició i classificació
La resolució dun problema ambiental generat per un corrent contaminant presenta múltiples alternatives possibles. Hi ha una gran quantitat i varietat de processos de tractament, però tots ells estan constituïts per un nombre relativament petit detapes físiques, químiques i/o biològiques comunes a diferents processos.
Normalment, el nombre detapes de tipus físic és sempre superior al detapes químiques o biològiques, fins i tot hi ha processos de tractament en què no hi ha cap etapa de reacció. Si saprofundeix en lestudi daquestes etapes físiques, es pot comprovar que el seu nombre és limitat i que, a més a més, es repeteixen en diferents sistemes de tractament. Aquesta observació ha donat lloc al concepte operació bàsica o unitària, com normalment sanomenen aquestes etapes en la indústria química i que lenginyeria ambiental ha adoptat a partir daquesta. Des del punt de vista pedagògic resulta molt més útil i senzill estudiar les operacions bàsiques (limitades) que els sistemes complets de tractament (infinites variacions). Si es coneixen les diferents operacions unitàries que la tecnologia actual posa al nostre abast, es podran acoblar de tal forma que es puga dissenyar un sistema de tractament per a un cas concret. Algunes daquestes operacions les més importants són les que veurem en aquest apartat.
Normalment, el nombre detapes de tipus físic és sempre superior al detapes químiques o biològiques, fins i tot hi ha processos de tractament en què no hi ha cap etapa de reacció. Si saprofundeix en lestudi daquestes etapes físiques, es pot comprovar que el seu nombre és limitat i que, a més a més, es repeteixen en diferents sistemes de tractament. Aquesta observació ha donat lloc al concepte operació bàsica o unitària, com normalment sanomenen aquestes etapes en la indústria química i que lenginyeria ambiental ha adoptat a partir daquesta. Des del punt de vista pedagògic resulta molt més útil i senzill estudiar les operacions bàsiques (limitades) que els sistemes complets de tractament (infinites variacions). Si es coneixen les diferents operacions unitàries que la tecnologia actual posa al nostre abast, es podran acoblar de tal forma que es puga dissenyar un sistema de tractament per a un cas concret. Algunes daquestes operacions les més importants són les que veurem en aquest apartat.
El concepte operació bàsica o unitària, que lenginyeria ambiental pren de lenginyeria química, es va encunyar a linici del segle xx. La importància daquest concepte rau en el fet que a partir dell es va poder arribar a una primera sistematització en lestudi dels processos de transformació. Una mateixa operació saplica a diferents processos amb independència del sistema considerat. Per exemple, una operació de filtratge del fang produït en una estació depuradora daigües residuals per disminuir el seu contingut daigua és anàleg a un filtratge per a leliminació de partícules sòlides duna emissió atmosfèrica.
Laprofundiment en lestudi daquestes etapes físiques, gràcies a la intensa recerca en aquest camp, ha permès arribar a la conclusió que totes les operacions bàsiques responen a tres fenòmens físics anàlegs, denominats fenòmens de transport, els quals es regeixen per lleis que són essencialment similars. En totes les operacions bàsiques es produeix el transport dalmenys una de les tres propietats: matèria, energia i/o quantitat de moviment. Aquests fenòmens de transport (que es poden produir tant al si de sòlids i de fluids com entre sòlids i fluids) són conseqüència de lexistència de gradients de concentració daquestes propietats i representen la tendència del sistema a arribar a un equilibri.
Així, per exemple, en el cas de la circulació de fluids lenergia que es dissipa per fregament es tradueix en un transport de quantitat de moviment entre zones del fluid que es desplacen a diferent velocitat. El transport de calor té lloc entre regions del sistema amb diferent concentració energètica, és a dir, amb diferent temperatura. El transport de matèria representa el canvi de composició duna mescla (líquida o gasosa) com a conseqüència del desplaçament dalgun o dalguns dels components de les zones on la seua concentració és major a zones on és menor.
És important fer una distinció entre els processos de transport de les tres propietats al si dun fluid i el transport pel desplaçament del fluid. El primer, tal com sha indicat, és conseqüència exclusiva de lexistència duna força impulsora (un desequilibri o gradient de concentracions) que tendeix a lequilibri; el segon és conseqüència simplement del moviment del fluid.
Els tres fenòmens de transport (quantitat de moviment, matèria i energia) es produeixen gairebé sempre simultàniament, però la seua importància relativa varia en cada cas de forma que el més lent és el fenomen que controla el procés, és a dir, el que determina la velocitat global del procés i, en conseqüència, el que determina la grandària de lequip en el qual es desenvoluparà loperació concreta. Així, les operacions unitàries es poden classificar segons el fenomen que controla el procés:
Operacions basades en el transport de la quantitat de moviment.
Operacions basades en el transport denergia.
Operacions basades en el transport de matèria.
Tot seguit es descriuen les operacions unitàries més representatives de cada tipus.
1.3.1 Operacions unitàries basades en el transport de la quantitat de moviment
Aquestes operacions corresponen fonamentalment al transport de fluids i es poden classificar en dos grans grups:
a)De flux intern, és a dir, el fluid circula per linterior de conduccions.
Lestudi de la circulació de fluids en conduccions socupa del càlcul de la pèrdua de pressió del fluid per determinar el diàmetre de la conducció o la potència de la bomba o del compressor necessari per fer-lo-hi circular.
b)De flux extern, és a dir, un sòlid es desplaça al si dun fluid.
Filtratge: operació de separació dun sòlid en suspensió en un fluid en fer passar la mescla per un medi permeable al fluid i impermeable al sòlid.
Sedimentació: separació sòlid-líquid per acció de la gravetat. El líquid es deixa en repòs de forma que el sòlid, amb una densitat major, cau al fons per gravetat.
Centrifugació: separació de dues fases de densitat semblant mitjançant lacció dun camp de força centrífuga originada per un sistema mecànic de rotació.
1.3.2 Operacions unitàries basades en el transport denergia
La transmissió denergia en forma de calor pot ocórrer en molts processos, però només en alguns la velocitat de transmissió de calor és letapa que controla el procés. Algunes daquestes operacions amb interès per a lenginyeria ambiental són:
Bescanviadors de calor (figura 1.3). Loperació consisteix en la transmissió de calor entre dos fluids a diferents temperatures, separats per una paret metàl·lica o dalgun material dalta conductivitat tèrmica, és a dir, que oferisca poca resistència a la transmissió de calor. Loperació es pot dur a terme amb canvi de fase o sense (lelevada calor latent de vaporització de laigua fa que normalment sempre vapor daigua com a fluid calefactor).
Aquesta operació sutilitza en la digestió anaeròbia que sha plantejat en lexemple de la figura 1.2. El procés es du a terme a una temperatura superior a lambiental, per la qual cosa cal escalfar el sistema mitjançant un bescanviador de calor (es pot emprar com a fluid calefactor el vapor daigua que sobté a partir de la recuperació energètica del metà que produeixen les transformacions biològiques desenvolupades en la digestió).
Evaporació. Consisteix en leliminació del dissolvent duna solució per augmentar la concentració de solut (figura 1.4). La calor cedida pel vapor sempra per fer bullir la solució diluïda, de la qual sevapora el dissolvent. Aquesta operació pot ser econòmicament viable enfront dels tractaments biològics per tractar aigua amb matèria orgànica: si la concentració de matèria orgànica és baixa (entre 50 i 4.000 mgDQO/l), la millor alternativa és el tractament biològic aerobi; per a concentracinos més altes (entre 4.000 i 50.000 mgDQO/l), el tractament biològic anaerobi, i per a aigües amb una presència de contaminants orgànics molt elevada (> 50.000 mgDQO/l), la millor alternativa sol ser levaporació.
1.3.3 Operacions unitàries basades en el transport de matèria