Eliminación del fosforo presente en aguas residuales mediante flotación por aire disuelto

• 1. Introducción
• 2. El fósforo en las aguas residuales
• 3. Sistemas de tratamiento de efluentes con fósforo
• 4. Tratamiento de efluentes con fósforo por flotación DAF
• 5. Resumen

1. Introducción

El fósforo es un elemento esencial para la vida, tanto para los organismos inferiores como para los de estructuras más complejas. Su papel en la biología es fundamental, ya que interviene en la formación de múltiples constituyentes de las células, como son:

• La membrana citoplasmática, así como el ADN.
• Las enzimas denominadas transferasas: ADP (adenoxina-difosfato) y ATP (adenoxina-trifosfato) que tienen la propiedad de almacenar o devolver energía, pasando de una forma a otra.
• Las enzimas polifosfatasas-kinasas, las cuales pueden almacenar o restituir las polifosfatos.

La ausencia de fósforo limita el crecimiento de las algas planctónicas, especialmente en algunos tipos, como son las algas “azules-verdes”, capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.

El fósforo es un nutriente esencial para los microorganismos que degradan la materia orgánica en las aguas residuales. Sin embargo, el fósforo también puede causar eutrofización, que es el deterioro de la calidad de las aguas superficiales por el exceso de algas. El fósforo se encuentra en las aguas residuales en forma de fosfatos, que son compuestos muy reactivos.

Adicionalmente, la contaminación por fósforo conlleva significativas implicaciones económicas, ya que afecta al desarrollo normal de distintas actividades profesionales, además de incrementar los costos de tratamiento de agua para potabilización.

Es crucial, por tanto, que se establezcan acciones para reducir la presencia de fósforo en nuestras aguas residuales.   

Principales compuestos de fósforo

Compuestos de P	Fórmula	Preparación de la muestra	Cubetas-test	Instrumento de proceso	Inidcación del resultado + Campo de aplicacion
Ortofosfato	PO43–	Filtrar	LCK049* LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX se (método de vanadato-molib-dato)	– Orto PO4-P (p. ej. agua residual: control de la precipitac ión de P) – Orto PO4 (p. ej. agua potable y agua de calderas)
Polifosfatos	PO4-PO4-PO4–	Homogeneización, digestión
Compuestos de fósforo orgánico	R-PO4	Homogeneización, digestión
Carga total (ortofosfato+polifosfatos+ compuestos de fósforo orgánico)	PO4 total	Homogeneización, digestión	LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX sigma (método del azul de molibdeno de acuerdo con EN 1189)	P total = PO4-P total (p. ej. agua residual: control de valor limite) PO4 total (p. ej. agua potable y agua de calderas)

Importante: ¡En la analitica de las aguas residuales, la concentración de PO₄, se expresa siempre en términos del contenido de fósforo del fosfato! Es decir, el resultado se indica como PO₄-P (factor de conversión: PO₄-P x 3,07- PO₄). Los valores limite definidos en la legislación aplicable, p. ej. el valor limite en la salida de una E.D.A.R., se expresan en la unidad P total = PO₄-P total.
*) LCK348, 349 y 350: método del azul de molibdeno conforme a EN 1189; LCK049: método del vanadato-molibdato

2. El fósforo en las aguas residuales

La contaminación por fósforo en las aguas residuales representa un grave problema. Se trata de un elemento químico necesario para la vida, pero que en exceso puede tener efectos nocivos. Tiene la capacidad de facilitar el crecimiento excesivo de algas, conocido como eutrofización. Este fenómeno obstruye la luz solar necesaria para el crecimiento de otras plantas acuáticas y, al descomponerse, las algas formadas agotan el oxígeno disuelto en el agua, provocando la muerte de peces y otros organismos acuáticos.                 

El fósforo llega a las aguas residuales principalmente de dos formas:

1. A través de la descarga directa de detergentes fosfatados y fertilizantes
2. Como una consecuencia natural del desgaste y erosión del suelo.

Sin embargo, es en las plantas de tratamiento de aguas residuales donde el problema se agudiza, ya que a menudo estas no están equipadas para separar eliminar efectivamente el fósforo, liberándolo al ambiente en cantidades peligrosas.

El fósforo puede contaminar las aguas subterráneas y superficiales, que a menudo se utilizan como fuentes de agua potable. La ingestión de agua contaminada con fósforo puede provocar problemas de salud en los humanos, como daño renal y osteoporosis. El fósforo también puede acumularse en los sedimentos del fondo de las fuentes de agua, donde puede liberarse de nuevo al agua bajo ciertas condiciones. Esto significa que el fósforo puede seguir causando problemas de calidad del agua mucho tiempo después de haber sido vertido,   

Se estima que alrededor de un 85 % del fósforo vertido al medio ambiente procede de la red de colectores de las ARU (aguas residuales urbanas). La agricultura es la causante del 15% restante, siendo su influencia relativamente pequeña, debido a que, al contrario que en el caso de los nitratos, el fósforo se absorbe y se almacena bien en el suelo. El fósforo aparece como fosfato en las formas siguientes:                                                                                      

• Ortofosfatos solubles: Son fácilmente precipitables y pueden proceder directamente de los vertidos, o como resultado de una degradación en el proceso del tratamiento de los polifosfatos orgánicos o inorgánicos.

• Polifosfatos: Pueden ser orgánicos o inorgánicos. Pueden degradarse en ortofosfatos, o bien permanecer inertes.                                                           

Presencia del fósforo

También pueden estar en solución o en suspensión más o menos sedimentable. La relación entre estas diversas formas es muy variable, y no se pueden proporcionar datos demasiado concretos:

• En una ARU bruta, los ortofosfatos pueden representar del 15 % al 35% de los fosfatos totales.
• En las ARU decantadas, la proporción aumenta en un 5% a un 10%.
• En una ARU con tratamiento secundario (biológico), la fracción de ortofosfatos llega a alcanzar el 50% o incluso el 90%.

Si comparamos las formas inorgánicas y orgánicas, estas últimas representarían del orden de un 30%.

Solo una reducida fracción de los fosfatos (en su mayoría de origen orgánico) es sedimentable. Esta fracción se estima normalmente entre el 5 y el 15 % del total. En una primera estimación, podemos considerar el 10% como valor razonable.

Ciclo del fósforo

El ciclo del fósforo consiste en un proceso biogeoquímico que ocurre en los ecosistemas y describe como se desplaza dicho compuesto.

• Los organismos toman el elemento en forma de fosfatos.
• Tanto el suelo como los organismos vivos tienen interacción (vegetales, animales y humanos) y gran parte del fosfato también se arrastra a las aguas marinas, siendo absorbido por aves, peces y algas.
• La proporción del fósforo en la materia es de concentraciones pequeñas, pero juega un papel indispensable para la vida.
• El ciclo biogeoquímico del fósforo tiene movilidad a lo largo y ancho de la biosfera. Esto abarca todos los ecosistemas, tanto de carácter terrestre como de carácter acuático. El ciclo se encarga de cubrir las necesidades celulares más importantes en cada organismo.

3. Sistemas de tratamiento de efluentes con fósforo

El proceso de eliminación del fósforo de las aguas residuales generalmente se lleva a cabo mediante tratamientos fisicoquímicos, biológicos o una combinación de ambos.

Existen varios sistemas para eliminar el fósforo y sus compuestos de las aguas residuales. Estos son los tres sistemas más habituales de separación:

• Como MS sedimentable: Eliminado por clarificación primaria.
• Como MS coloidal: En este caso, para su eliminación se necesita una floculación, realizada de forma natural con los fangos activados (desfosfatación simultánea), o bien provocada por la dosificación de reactivos coagulantes y floculantes (pre o post-desfosfatación).
• Como MS soluble: A la solución que contiene fósforo se le añade una sal de aluminio, de hierro, o cal, de forma que se produzca un compuesto insoluble (fosfatos metálicos o formaciones fosfato/calcio), produciendo una precipitación del fósforo en forma de sal. Como no resulta práctico efectuar correcciones del pH, es necesario suministrar una dosis de sal trivalente por encima de la relación molar teórica 1/1.

3.1 Tratamiento fisicoquímico

Las sales metálicas de fósforo insolubles sedimentan con dificultad, por lo que es necesario flocular con un exceso de coagulante, y además añadir un polímero orgánico como coadyuvante de floculación. Esta operación también es necesaria para eliminar los compuestos de fósforo presentes en forma coloidal. La tecnología más eficiente es la flotación por aire disuelto (DAF), dada la baja sedimentabilidad de los flóculos formados.                                                                 

3.2 Tratamiento biológico

Este proceso emplea microorganismos que son capaces de acumular fósforo en exceso. En este proceso, las bacterias se alimentan del fósforo presente en el agua, incorporándolo en sus células. Cuando estas bacterias mueren y se depositan, el fósforo quedará contenido en el lodo resultante y se podrá eliminar fácilmente.

SIGMADAF dispone de tecnologías que permiten el tratamiento biológico de vertidos que contienen un exceso de fósforo. El MBBR (Tratamiento biológico con lechos móviles) permite el tratamiento de estos vertidos mediante rellenos específicos y condiciones selectivas.  Esta tecnología tiene un máximo rendimiento ocupando un mínimo espacio y con una reducción significativa en los costes de explotación (energía, gestión de fangos, etc.).

3.3 Método combinado

Suele ser el más eficiente. En este caso, primero se realiza un tratamiento fisicoquímico para eliminar gran parte del fósforo, y luego se aplica el tratamiento biológico para los niveles restantes.

SIGMADAF combina las tecnologías DAF, MBBR y MBR para obtener los mejores resultados de tratamiento en las aguas residuales con altos contenidos de fósforo.

En definitiva, la elección del método más adecuado para eliminar el fósforo dependerá de factores como la cantidad de fósforo presente, los recursos disponibles, y las normativas ambientales en vigor.

4. Tratamiento de efluentes con fósforo mediante flotación por aire disuelto

El proceso más adecuado para separar fosfatos en suspensión es la flotación mediante sistemas DAF. Esto es debido a la baja densidad de los fóculos que se obtienen tras el acondicionamiento químico de los vertidos, que se lleva a cabo con coagulantes y floculantes específicos.

SIGMADAF dispone de sistemas DAF para la separación de fósforo y otros contaminantes. Estos equipos se componen de un sistema de mezcla en forma de serpentín (PFL), y, a continuación, de un flotador con aire disuelto (DAF).

Los floculadores PFL se caracterizan por el principio de “proceso en línea”. Los distintos procesos que se dan en estos equipos (coagulación, floculación, desmulsificación, precipitación y control del pH) tienen lugar en condiciones muy controladas y bien definidas, de forma que el efluente pueda ser fácilmente clarificado a continuación en el sistema DAF.

Conjunto flotación PFL – DAF

La flotación por aire disuelto es una tecnología ideal para una separación efectiva de sólidos, aceites, grasas y flóculos presentes en el agua residual.

El agua residual acondicionada se bombea desde el sistema de coagulación-floculación a la unidad DAF, donde se lleva a cabo la dosificación de coagulantes, polielectrolitos y productos de ajuste de pH para una efectiva formación de flóculos. En el caso de presencia de fósforo soluble, también se puede adicionar cal.

Los sistemas DAF están especialmente diseñados para tratar aguas residuales que contienen sólidos de baja flotabilidad y que necesitan una gran área superficial para su separación. El aire presurizado aportado es necesario para mejorar la flotación de las partículas cuando la gravedad específica de estas se ve afectada por una mezcla de emulsiones, aceites y sólidos.

Una bomba de recirculación redirige parte del agua clarificada a la salida de la unidad DAF, donde se encuentra un sistema de presurización/saturación. El agua recirculada es sometida a presión por la bomba hasta aproximadamente 6 bares y mezclada con aire. Bajo estas condiciones de presión, el aire queda disuelto en el agua.

Dentro de la unidad DAF se produce la despresurización, lo que genera microburbujas de aire de entre 3 y-50 micras de diámetro, las cuales se disuelven y permiten la eliminación de sólidos y flóculos que no tienen tendencia a flotar. Las burbujas se adhieren rápidamente a los flóculos en suspensión, los cuales se elevan hasta la superficie, donde flotan al perder densidad aparente.

Esta mezcla de agua y burbujas de aire despresurizado es homogéneamente distribuida en el compartimento de entrada a la unidad DAF, bajo condiciones de régimen laminar. Por otra parte, las partículas flotadas se conducen directamente al sistema de desnatado, que se encuentra en la parte superior de la unidad, donde son eliminadas mediante un sistema de skimmers.

La materia sedimentable desciende hasta el compartimento de sedimentos, ubicado en el fondo de la unidad DAF, y es descargada por el sistema de extracción de lodos.

Una vez formada la espuma en la superficie, se elimina mecánicamente del agua tratada. Los fosfatos y otros contaminantes se concentran en la espuma, lo que permite su recuperación o su disposición segura según los requisitos legales locales.

El agua clarificada sale de la unidad DAF mediante un sistema ajustable de sobrenadante.

Esquema separación de fosfatos por DAF

5. Resumen

El fósforo presente en las aguas residuales es un problema grave que requiere de atención preferente. Este elemento, aunque esencial para la vida, en grandes cantidades puede causar daño a los ecosistemas acuáticos y contribuir a la proliferación de algas nocivas (eutrofización). El tratamiento de aguas residuales es, por lo tanto, de suma importancia para reducir la cantidad de fósforo liberado al medio ambiente.

En este artículo se ha hecho referencia a las distintas técnicas utilizadas para eliminar el fósforo de las aguas residuales, incluyendo procesos físicos, químicos y biológicos. Aunque cada uno tiene sus ventajas y desventajas, se hace evidente que la combinación de estas técnicas proporciona la mayor eficacia en la eliminación de este contaminante.

En resumen, el tratamiento de aguas residuales con exceso de fosfatos mediante DAF es una técnica efectiva para reducir los niveles de este contaminante, contribuyendo así a la protección ambiental y al cumplimiento de regulaciones sobre la calidad del agua.

La gestión y regulación adecuada de las aguas residuales también juegan un papel crucial para prevenir la contaminación por fósforo. En este sentido, es importante que los gobiernos y las organizaciones pertinentes establezcan y hagan cumplir las normativas necesarias para el tratamiento de las aguas residuales.

Finalmente, cabe destacar que cada uno de nosotros tiene un papel que desempeñar en la reducción de la contaminación por fósforo. Mediante el uso responsable de productos que contienen fósforo, como detergentes y fertilizantes, podemos contribuir a minimizar la liberación de este elemento al medio ambiente. Por lo tanto, es imperativo que todos tomemos conciencia de la seriedad de este problema y trabajemos juntos para proteger nuestros preciados recursos acuáticos.

Bibliografía y consultas

Eliminación de fósforo en las aguas residuales (usal.es)

Fosforo en Aguas Residuales: Impacto Ambiental y Métodos de Tratamiento | Instituto del Agua

Eliminación de fósforo en las aguas residuales (usal.es)