Tratamiento de aguas residuales

A continuación se muestran ejemplos de sistemas de tratamiento de aguas residuales más sencillos y, a menudo, menos costosos. Suelen consumir poca o ninguna energía. Algunos de estos sistemas no ofrecen un alto nivel de tratamiento, o solo tratan una parte de las aguas residuales (por ejemplo, solo las del inodoro ), o solo proporcionan un pretratamiento, como las fosas sépticas. Por otro lado, algunos sistemas son capaces de ofrecer un buen rendimiento, satisfactorio para diversas aplicaciones. Muchos de estos sistemas se basan en procesos de tratamiento naturales, que requieren grandes superficies, mientras que otros son más compactos. En la mayoría de los casos, se utilizan en zonas rurales o en comunidades pequeñas y medianas.

Por ejemplo, las lagunas de estabilización de residuos son una opción de tratamiento de bajo costo que prácticamente no requiere energía, pero sí mucho terreno. ^{[ 4 ] : 236} Debido a su simplicidad técnica, la mayor parte del ahorro (en comparación con los sistemas de alta tecnología) se refiere a los costos de operación y mantenimiento. ^{[ 4 ] : 220–243}

Ejemplos de sistemas que pueden proporcionar un tratamiento total o parcial solo para las aguas residuales de los inodoros:

• Inodoro de compostaje (véase también inodoros secos en general)
• Inodoro seco con sistema de separación de orina
• Inodoro con vermifiltro

A continuación se enumeran ejemplos de sistemas de tratamiento de aguas residuales más avanzados, intensivos o mecanizados, a menudo relativamente costosos. Algunos de ellos también consumen mucha energía. Muchos proporcionan un nivel de tratamiento muy alto. Por ejemplo, en términos generales, el proceso de lodos activados logra una alta calidad del efluente, pero es relativamente costoso y consume mucha energía. ^{[ 4 ] : 239}

Existen otras opciones de procesamiento que pueden clasificarse como opciones de eliminación, aunque también pueden entenderse como opciones de tratamiento básico. Estas incluyen: aplicación de lodos , riego , pozo de absorción , campo de lixiviación , estanque de peces , estanque de plantas flotantes, eliminación de agua/ recarga de aguas subterráneas , eliminación superficial y almacenamiento. ^{[ 14 ] : 138}

La aplicación de aguas residuales al suelo es tanto un tipo de tratamiento como un tipo de disposición final. ^{[ 4 ] : 189} Conduce a la recarga de aguas subterráneas y/o a la evapotranspiración. La aplicación al suelo incluye sistemas de tasa lenta, infiltración rápida, infiltración subsuperficial y flujo superficial. Se realiza mediante inundación, surcos, aspersión y goteo. Es un sistema de tratamiento/disposición que requiere una gran cantidad de terreno por persona.

La carga de materia orgánica por persona es un parámetro utilizado en el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales. Este concepto se conoce como equivalente poblacional (EP). El valor base utilizado para EP puede variar de un país a otro. Las definiciones comúnmente utilizadas a nivel mundial son: 1 EP equivale a 60 gramos de DBO por persona por día, y también equivale a 200 litros de aguas residuales por día. ^{[ 15 ]} Este concepto también se utiliza como parámetro de comparación para expresar la fuerza de las aguas residuales industriales en comparación con las aguas residuales domésticas.

Al elegir un proceso de tratamiento de aguas residuales adecuado, los responsables de la toma de decisiones deben tener en cuenta criterios técnicos y económicos. ^{[ 4 ] : 215} Por lo tanto, cada análisis es específico del sitio. Se puede utilizar una evaluación del ciclo de vida (ACV), y se atribuyen criterios o ponderaciones a los diversos aspectos. Esto hace que la decisión final sea subjetiva hasta cierto punto. ^{[ 4 ] : 216} Existe una variedad de publicaciones para ayudar con la selección de tecnología. ^{[ 4 ] : 221 [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ]}

En los países industrializados , los parámetros más importantes en la selección de procesos suelen ser la eficiencia, la fiabilidad y los requisitos de espacio. En los países en desarrollo , estos parámetros pueden ser diferentes y la atención puede centrarse más en los costos de construcción y operación, así como en la simplicidad del proceso. ^{[ 4 ] : 218}

Elegir el proceso de tratamiento más adecuado es complejo y requiere la intervención de expertos, a menudo mediante estudios de viabilidad . Esto se debe a que los principales factores a considerar al evaluar y seleccionar procesos de tratamiento de aguas residuales son numerosos. Entre ellos se incluyen: aplicabilidad del proceso, caudal aplicable, variación de caudal aceptable, características del afluente, compuestos inhibidores o refractarios, aspectos climáticos, cinética del proceso e hidráulica del reactor , rendimiento, residuos del tratamiento, procesamiento de lodos, limitaciones ambientales, requisitos de productos químicos, energía y otros recursos; requisitos de personal, operación y mantenimiento; procesos auxiliares, fiabilidad, complejidad, compatibilidad y disponibilidad de área. ^{[ 4 ] : 219}

En cuanto a los impactos ambientales de las plantas de tratamiento de aguas residuales, se incluyen los siguientes aspectos en el proceso de selección: olores, atracción de vectores , transporte de lodos, riesgos sanitarios, contaminación del aire , contaminación del suelo y del subsuelo, contaminación de aguas superficiales o subterráneas , devaluación de las zonas cercanas, inconvenientes para la población cercana. ^{[ 4 ] : 220}

Los olores emitidos por el tratamiento de aguas residuales suelen indicar una condición anaeróbica o séptica . ^{[ 18 ]} Las primeras etapas del procesamiento tienden a producir gases malolientes, siendo el sulfuro de hidrógeno el más común en generar quejas. Las grandes plantas de tratamiento en áreas urbanas a menudo tratan los olores con reactores de carbón, un medio de contacto con biosloms, pequeñas dosis de cloro o fluidos circulantes para capturar y metabolizar biológicamente los gases nocivos. ^{[ 19 ]} Existen otros métodos de control de olores, incluyendo la adición de sales de hierro, peróxido de hidrógeno , nitrato de calcio , etc., para controlar los niveles de sulfuro de hidrógeno . ^{[ 20 ]}

Los requerimientos energéticos varían según el tipo de proceso de tratamiento y la concentración de aguas residuales. Por ejemplo, los humedales artificiales y las lagunas de estabilización tienen bajos requerimientos energéticos. ^{[ 21 ]} En comparación, el proceso de lodos activados tiene un alto consumo energético debido a que incluye una etapa de aireación. Algunas plantas de tratamiento de aguas residuales producen biogás a partir de sus lodos mediante un proceso llamado digestión anaeróbica . Este proceso puede generar suficiente energía para cubrir la mayor parte de las necesidades energéticas de la propia planta de tratamiento. ^{[ 7 ] : 1505}

En Estados Unidos, las plantas de tratamiento de lodos activados suelen destinar alrededor del 30 % de los costos operativos anuales al consumo de energía. ^{[ 7 ] : 1703} La mayor parte de esta electricidad se utiliza para la aireación, los sistemas de bombeo y los equipos para la deshidratación y el secado de los lodos residuales . Las plantas de tratamiento de aguas residuales avanzadas, por ejemplo, para la eliminación de nutrientes, requieren más energía que las plantas que solo realizan un tratamiento primario o secundario. ^{[ 7 ] : 1704}

Las pequeñas plantas rurales que utilizan filtros percoladores pueden funcionar sin requerimientos energéticos netos, ya que todo el proceso se basa en el flujo gravitacional, incluyendo la distribución del flujo mediante cubetas basculantes y el vaciado de los tanques de sedimentación hacia los lechos de secado. Esto suele ser práctico únicamente en terrenos montañosos y en zonas donde la planta de tratamiento se encuentra relativamente alejada de las viviendas debido a la dificultad para controlar los olores. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

En países desarrollados con regulaciones estrictas, las aguas residuales industriales suelen recibir al menos un pretratamiento, si no un tratamiento completo , en las propias fábricas para reducir la carga contaminante antes de su descarga al alcantarillado. El pretratamiento tiene dos objetivos principales: primero, evitar que compuestos tóxicos o inhibidores entren en la etapa biológica de la planta de tratamiento de aguas residuales y reduzcan su eficiencia; y segundo, evitar la acumulación de compuestos tóxicos en los lodos residuales producidos, lo que reduciría sus opciones de reutilización . Algunas aguas residuales industriales pueden contener contaminantes que no pueden ser eliminados por las plantas de tratamiento. Además, el flujo variable de residuos industriales asociado a los ciclos de producción puede alterar la dinámica de las poblaciones de las unidades de tratamiento biológico. ^{[ 24 ]}

Los residentes urbanos en muchas partes del mundo dependen de sistemas de saneamiento in situ sin alcantarillado, como fosas sépticas y letrinas de pozo , y la gestión de lodos fecales en estas ciudades es un desafío enorme. ^{[ 25 ]}

Para el tratamiento de aguas residuales, el uso de tanques sépticos y otras instalaciones de tratamiento de aguas residuales in situ (OSSF) está muy extendido en algunas zonas rurales, por ejemplo, dando servicio hasta al 20 por ciento de los hogares en los EE. UU. ^{[ 26 ].}

El tratamiento preliminar (a veces llamado pretratamiento) elimina los materiales gruesos que se pueden recoger fácilmente de las aguas residuales brutas antes de que dañen u obstruyan las bombas y las tuberías de alcantarillado de los clarificadores de tratamiento primario .

Cribado

El afluente de aguas residuales pasa a través de una rejilla para eliminar objetos grandes como latas, trapos, palos, envases de plástico, etc., que se encuentran en el flujo de aguas residuales. ^{[ 27 ]} En las plantas modernas que dan servicio a grandes poblaciones, esto se realiza con mayor frecuencia mediante una rejilla de barras mecánicamente rastrillada y automatizada, mientras que en plantas más pequeñas o menos modernas se puede utilizar una rejilla de limpieza manual. La acción de rastrillado de una rejilla mecánica se ajusta generalmente según la acumulación en las rejillas y/o el caudal. Los sólidos se recogen y posteriormente se depositan en un vertedero o se incineran. Se pueden utilizar rejillas de barras o de malla de diferentes tamaños para optimizar la eliminación de sólidos. Si no se eliminan los sólidos gruesos, estos se acumulan en las tuberías y las partes móviles de la planta de tratamiento, lo que puede causar daños sustanciales e ineficiencia en el proceso. ^{[ 28 ] : 9}

Eliminación de arena

La arena y los sedimentos se componen de arena , grava , rocas y otros materiales pesados. El tratamiento preliminar puede incluir un canal o cámara de eliminación de arena y sedimentos, donde se reduce la velocidad de las aguas residuales entrantes para permitir la sedimentación de estos. La eliminación de la arena y los sedimentos es necesaria para: (1) reducir la formación de depósitos en tanques de sedimentación primaria, tanques de aireación, digestores anaeróbicos, tuberías, canales, etc.; (2) reducir la frecuencia de limpieza de los tanques causada por la acumulación excesiva de arena y sedimentos; y (3) proteger los equipos mecánicos móviles de la abrasión y el desgaste anormal que conlleva. La eliminación de la arena y los sedimentos es esencial para equipos con superficies metálicas mecanizadas con precisión, como trituradoras, cribas finas, centrífugas, intercambiadores de calor y bombas de diafragma de alta presión.

Las cámaras de desarenado se presentan en tres tipos: cámaras horizontales, cámaras aireadas y cámaras de vórtice. Las cámaras de vórtice incluyen separadores de vórtice de inducción mecánica, de inducción hidráulica y de vórtice de múltiples bandejas. Dado que tradicionalmente los sistemas de eliminación de arena se han diseñado para eliminar partículas inorgánicas limpias de tamaño superior a 0,210 milímetros (0,0083 pulgadas) , la mayor parte de la arena más fina pasa a través de los flujos de eliminación de arena en condiciones normales. Durante períodos de alto caudal, la arena depositada se resuspende y la cantidad de arena que llega a la planta de tratamiento aumenta sustancialmente. ^{[ 7 ]} 

El tratamiento primario es la "eliminación de una porción de los sólidos en suspensión y la materia orgánica de las aguas residuales". ^{[ 7 ] : 11} Consiste en permitir que las aguas residuales pasen lentamente a través de una balsa donde los sólidos pesados ​​se depositan en el fondo, mientras que el aceite, la grasa y los sólidos más ligeros flotan en la superficie y se retiran. Estas balsas se denominan tanques de sedimentación primaria o clarificadores primarios y suelen tener un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 1,5 a 2,5 horas. ^{[ 7 ] : 398} Los materiales sedimentados y flotantes se eliminan y el líquido restante puede descargarse o someterse a un tratamiento secundario. Los tanques de sedimentación primaria suelen estar equipados con rascadores accionados mecánicamente que impulsan continuamente el lodo recogido hacia una tolva en la base del tanque, desde donde se bombea a las instalaciones de tratamiento de lodos. ^{[ 28 ] : 9–11}

Las plantas de tratamiento de aguas residuales conectadas a un sistema de alcantarillado combinado a veces cuentan con un sistema de derivación después de la unidad de tratamiento primario. Esto significa que, durante lluvias muy intensas, los sistemas de tratamiento secundario y terciario pueden ser derivados para protegerlos de la sobrecarga hidráulica, y la mezcla de aguas residuales y pluviales recibe únicamente tratamiento primario. ^{[ 30 ]}

Los tanques de sedimentación primaria eliminan entre el 50 y el 70 % de los sólidos en suspensión y entre el 25 y el 40 % de la demanda biológica de oxígeno (DBO). ^{[ 7 ] : 396}

Los principales procesos involucrados en el tratamiento secundario de aguas residuales están diseñados para eliminar la mayor cantidad posible de material sólido disuelto. ^{[ 15 ]} Utilizan procesos biológicos para digerir y eliminar el material soluble restante, especialmente la fracción orgánica. Esto se puede hacer mediante procesos de crecimiento en suspensión o de biopelícula. Los microorganismos que se alimentan de la materia orgánica presente en las aguas residuales crecen y se multiplican, constituyendo los sólidos biológicos o biomasa. Estos crecen y se agrupan en forma de flóculos o biopelículas y, en algunos procesos específicos, como gránulos. El flóculo biológico o la biopelícula y los sólidos finos restantes forman un lodo que se puede sedimentar y separar. Después de la separación, queda un líquido casi libre de sólidos y con una concentración de contaminantes muy reducida. ^{[ 15 ]} Un porcentaje de los biosólidos sedimentados/separados se reintroduce en el afluente del proceso secundario como inóculo. ^{[ 31 ]}

El tratamiento secundario puede reducir la materia orgánica (medida como demanda biológica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), etc.) ^{[ 32 ]} de las aguas residuales, mediante procesos aeróbicos o anaeróbicos. Los organismos que intervienen en estos procesos son sensibles a la presencia de sustancias tóxicas, aunque no se espera que estas se encuentren en altas concentraciones en las aguas residuales municipales típicas.

El tratamiento avanzado de aguas residuales generalmente comprende tres etapas principales, denominadas tratamiento primario, secundario y terciario, pero también puede incluir etapas intermedias y procesos de pulido final. El propósito del tratamiento terciario (también llamado tratamiento avanzado ) es proporcionar una etapa de tratamiento final para mejorar aún más la calidad del efluente antes de su descarga al cuerpo de agua receptor o reutilización. Se puede utilizar más de un proceso de tratamiento terciario en cualquier planta de tratamiento. Si se practica la desinfección, siempre es el proceso final. También se denomina pulido de efluentes . El tratamiento terciario puede incluir la eliminación biológica de nutrientes (alternativamente, esto puede clasificarse como tratamiento secundario), desinfección y eliminación parcial de microcontaminantes, como contaminantes farmacéuticos persistentes en el medio ambiente .

El tratamiento terciario se define a veces como cualquier tratamiento adicional al primario y secundario para permitir el vertido en un ecosistema altamente sensible o frágil , como estuarios , ríos de bajo caudal o arrecifes de coral . ^{[ 33 ]} El agua tratada a veces se desinfecta química o físicamente (por ejemplo, mediante lagunas y microfiltración ) antes de su vertido en un arroyo , río , bahía , laguna o humedal , o puede utilizarse para el riego de un campo de golf, un corredor verde o un parque. Si está suficientemente limpia, también puede utilizarse para la recarga de acuíferos o con fines agrícolas.

La filtración con arena elimina gran parte de la materia residual en suspensión. ^{[ 28 ] : 22–23} La filtración con carbón activado , también llamada adsorción de carbón, elimina las toxinas residuales . ^{[ 28 ] : 19} La microfiltración o las membranas sintéticas se utilizan en biorreactores de membrana y también pueden eliminar patógenos. ^{[ 7 ] : 854}

La sedimentación y la mejora biológica de las aguas residuales tratadas pueden lograrse mediante su almacenamiento en grandes estanques o lagunas artificiales. Estas lagunas son altamente aeróbicas y, a menudo, se favorece la colonización por macrófitas autóctonas, especialmente juncos.

La desinfección de aguas residuales tratadas tiene como objetivo eliminar los patógenos (microorganismos causantes de enfermedades) antes de su eliminación. Su eficacia aumenta a medida que se completan más elementos de la secuencia de tratamiento anterior. ^{[ 34 ] : 359} El propósito de la desinfección en el tratamiento de aguas residuales es reducir sustancialmente el número de patógenos en el agua que se descargará de nuevo al medio ambiente o se reutilizará. El nivel objetivo de reducción de contaminantes biológicos como los patógenos suele estar regulado por la autoridad gubernamental competente. La eficacia de la desinfección depende de la calidad del agua tratada (p. ej., turbidez , pH, etc.), el tipo de desinfección utilizada, la dosis del desinfectante (concentración y tiempo) y otras variables ambientales. El agua con alta turbidez se tratará con menos éxito, ya que la materia sólida puede proteger a los organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos de contacto son cortos. En general, los tiempos de contacto cortos, las dosis bajas y los caudales altos dificultan una desinfección eficaz. Los métodos comunes de desinfección incluyen ozono , cloro , luz ultravioleta o hipoclorito de sodio . ^{[ 28 ] : 16} La monocloramina , que se utiliza para el agua potable, no se utiliza en el tratamiento de aguas residuales debido a su persistencia.

La cloración sigue siendo el método más común de desinfección de aguas residuales tratadas en muchos países debido a su bajo costo y su larga trayectoria de eficacia. Una desventaja es que la cloración de materia orgánica residual puede generar compuestos orgánicos clorados que pueden ser cancerígenos o perjudiciales para el medio ambiente. El cloro residual o las cloraminas también pueden clorar materia orgánica en el medio acuático natural. Además, dado que el cloro residual es tóxico para las especies acuáticas, el efluente tratado debe declorarse químicamente, lo que aumenta la complejidad y el costo del tratamiento.

La luz ultravioleta (UV) puede utilizarse en lugar de cloro, yodo u otros productos químicos. Al no emplearse productos químicos, el agua tratada no tiene efectos adversos sobre los organismos que la consumen posteriormente, a diferencia de otros métodos. La radiación UV daña la estructura genética de bacterias, virus y otros patógenos , impidiendo su reproducción. Las principales desventajas de la desinfección UV son la necesidad de un mantenimiento y reemplazo frecuentes de las lámparas y la necesidad de un efluente altamente tratado para garantizar que los microorganismos objetivo no queden protegidos de la radiación UV (es decir, cualquier sólido presente en el efluente tratado puede proteger a los microorganismos de la luz UV). En muchos países, la luz UV se está convirtiendo en el método de desinfección más común debido a la preocupación por los efectos del cloro en la cloración de materia orgánica residual en las aguas residuales tratadas y en el agua receptora.

Al igual que el tratamiento UV, la esterilización térmica tampoco añade productos químicos al agua tratada. Sin embargo, a diferencia de la luz ultravioleta, el calor puede penetrar líquidos opacos. La desinfección térmica también puede penetrar los materiales sólidos presentes en las aguas residuales, esterilizando su contenido. Los sistemas de descontaminación térmica de efluentes ofrecen una descontaminación de efluentes con bajo consumo de recursos y bajo mantenimiento una vez instalados.

_El ozono ( O₃ ) se genera al hacer pasar oxígeno ( O₂ ) a través de un potencial de alto voltaje, lo que provoca que un tercer átomo de oxígeno _se una _y forme O₃ . El ozono es muy inestable y reactivo, y oxida la mayoría de la materia orgánica con la que entra en contacto, destruyendo así muchos microorganismos patógenos. El ozono se considera más seguro que el cloro porque, a diferencia del cloro, que debe almacenarse en el sitio (altamente tóxico en caso de una fuga accidental), el ozono se genera en el sitio según sea necesario a partir del oxígeno del aire ambiente. La ozonización también produce menos subproductos de desinfección que la cloración. Una desventaja de la desinfección con ozono es el alto costo del equipo de generación de ozono y la necesidad de operadores especializados. El tratamiento de aguas residuales con ozono requiere el uso de un generador de ozono , que descontamina el agua a medida que las burbujas de ozono se filtran a través del tanque.

Las membranas también pueden ser desinfectantes eficaces, ya que actúan como barreras, impidiendo el paso de los microorganismos. Como resultado, el efluente final puede estar libre de organismos patógenos, dependiendo del tipo de membrana utilizada. Este principio se aplica en los biorreactores de membrana .

Las aguas residuales pueden contener altos niveles de los nutrientes nitrógeno y fósforo . Los valores típicos de cargas de nutrientes por persona y concentraciones de nutrientes en aguas residuales crudas en países en desarrollo se han publicado de la siguiente manera: 8 g/persona/día para nitrógeno total (45  mg/L), 4,5 g/persona/día para nitrógeno amoniacal (25  mg/L) y 1,0 g/persona/día para fósforo total (7  mg/L). ^{[ 4 ] : 57} Los rangos típicos para estos valores son: 6–10 g/persona/día para nitrógeno total (35–60  mg/L), 3,5–6 g/persona/día para nitrógeno amoniacal (20–35  mg/L) y 0,7–2,5 g/persona/día para fósforo total (4–15  mg/L). ^{[ 4 ] : 57}

La liberación excesiva de contaminantes al medio ambiente puede provocar contaminación por nutrientes , que se manifiesta como eutrofización . Este proceso puede dar lugar a proliferaciones de algas , un rápido crecimiento y posterior descomposición de la población de algas. Además de causar desoxigenación, algunas especies de algas producen toxinas que contaminan el agua potable .

El nitrógeno amoniacal, en forma de amoníaco libre (NH₃ ₎ , es tóxico para los peces. El nitrógeno amoniacal, al convertirse en nitrito y posteriormente en nitrato en un cuerpo de agua, durante el proceso de nitrificación, está asociado con el consumo de oxígeno disuelto. El nitrito y el nitrato también pueden tener importancia para la salud pública si sus concentraciones son elevadas en el agua potable , debido a una enfermedad llamada metahemoglobinemia . ^{[ 4 ] : ​​42}

La eliminación de fósforo es importante, ya que este nutriente limita el crecimiento de algas en muchos sistemas de agua dulce. Por lo tanto, un exceso de fósforo puede provocar eutrofización. También es especialmente importante para los sistemas de reutilización de agua, donde las altas concentraciones de fósforo pueden causar la obstrucción de equipos posteriores, como los de ósmosis inversa .

Existe una variedad de procesos de tratamiento disponibles para eliminar el nitrógeno y el fósforo. La eliminación biológica de nutrientes (BNR) es considerada por algunos como un tipo de proceso de tratamiento secundario, ^{[ 7 ]} y por otros como un proceso de tratamiento terciario (o avanzado ).

eliminación de nitrógeno

El nitrógeno se elimina mediante la oxidación biológica del nitrógeno, transformándolo de amoníaco a nitrato ( nitrificación ), seguida de la desnitrificación , que consiste en la reducción del nitrato a nitrógeno gaseoso. El nitrógeno gaseoso se libera a la atmósfera y, por lo tanto, se elimina del agua.

La nitrificación es un proceso aeróbico de dos etapas, cada una facilitada por un tipo diferente de bacteria. La oxidación del amoníaco (NH₃ ₎ a nitrito (NO₂⁻ ₎ ^suele ser facilitada por bacterias como Nitrosomonas spp. ( nitroso se refiere a la formación de un grupo funcional nitroso ). La oxidación del nitrito a nitrato (NO₃⁻ ₎ ^, aunque tradicionalmente se creía que era facilitada por Nitrobacter spp. (nitro se refiere a la formación de un grupo funcional nitro ), ahora se sabe que en el medio ambiente es facilitada predominantemente por Nitrospira spp.

La desnitrificación requiere condiciones anóxicas para fomentar la formación de las comunidades biológicas adecuadas. Las condiciones anóxicas se refieren a una situación donde no hay oxígeno pero sí nitrato. La desnitrificación se ve facilitada por una amplia diversidad de bacterias. El proceso de lodos activados , los filtros de arena , las lagunas de estabilización de residuos , los humedales artificiales y otros procesos pueden utilizarse para reducir el nitrógeno. ^{[ 28 ] : 17–18} Dado que la desnitrificación es la reducción de nitrato a nitrógeno dimetílico (nitrógeno molecular) gaseoso, se necesita un donante de electrones . Este puede ser, según las aguas residuales, materia orgánica (de las propias aguas residuales), sulfuro o un donante añadido como el metanol . El lodo en los tanques anóxicos (tanques de desnitrificación) debe mezclarse bien (mezcla de licor mixto recirculado, lodo activado de retorno e influente crudo), por ejemplo, utilizando mezcladores sumergibles para lograr la desnitrificación deseada.

Con el tiempo, se han desarrollado diferentes configuraciones de tratamiento para los procesos de lodos activados con el fin de lograr altos niveles de eliminación de nitrógeno. Un esquema inicial se denominó Proceso Ludzak-Ettinger. Este no lograba un alto nivel de desnitrificación. ^{[ 7 ] : 616} El Proceso Ludzak-Ettinger Modificado (MLE) surgió posteriormente y representó una mejora con respecto al concepto original. Este proceso recicla el licor mixto desde el extremo de descarga del tanque de aireación hasta la cabecera del tanque anóxico. Esto proporciona nitrato para las bacterias facultativas. ^{[ 7 ] : 616}

Hay otras configuraciones de proceso, como variaciones del proceso Bardenpho. ^{[ 35 ] : 160} Podrían diferir en la ubicación de los tanques anóxicos, por ejemplo, antes y después de los tanques de aireación.

Los microcontaminantes como los productos farmacéuticos, los ingredientes de los productos químicos domésticos, los productos químicos utilizados en pequeñas empresas o industrias, los contaminantes farmacéuticos persistentes ambientales (EPPP) o los plaguicidas pueden no eliminarse en los procesos de tratamiento de aguas residuales comúnmente utilizados (tratamiento primario, secundario y terciario) y, por lo tanto, provocar contaminación del agua. ^{[ 41 ]} Aunque las concentraciones de esas sustancias y sus productos de descomposición son bastante bajas, todavía existe la posibilidad de dañar a los organismos acuáticos. Para los productos farmacéuticos , se han identificado las siguientes sustancias como toxicológicamente relevantes: sustancias con efectos disruptores endocrinos , sustancias genotóxicas y sustancias que mejoran el desarrollo de resistencias bacterianas . ^{[ 42 ]} Pertenecen principalmente al grupo de EPPP.

Las técnicas para la eliminación de microcontaminantes mediante una cuarta etapa de tratamiento durante el tratamiento de aguas residuales se implementan en Alemania, Suiza, Suecia ^{[ 3 ]} y los Países Bajos, y se están realizando pruebas en varios otros países. ^{[ 43 ]} En Suiza, está consagrado en la ley desde 2016. ^{[ 44 ]} Desde el 1 de enero de 2025, se ha refundido la Directiva sobre el tratamiento de aguas residuales urbanas en la Unión Europea. Debido a la gran cantidad de modificaciones realizadas, la directiva se reescribió el 27 de noviembre de 2024 como Directiva (UE) 2024/3019, publicada en el Diario Oficial de la UE el 12 de diciembre y que entró en vigor el 1 de enero de 2025. Los Estados miembros disponen ahora de 31 meses, es decir, hasta el 31 de julio de 2027, para adaptar su legislación nacional a la nueva directiva («transposición de la directiva»).

La enmienda estipula que, además de valores de descarga más estrictos para el nitrógeno y el fósforo, las sustancias traza persistentes deben separarse al menos parcialmente. El objetivo, similar al de Suiza, es que el 80 % de 6 sustancias clave de un total de 12 se eliminen entre la descarga en la planta de tratamiento de aguas residuales y la descarga en el cuerpo de agua. Al menos el 80 % de las inversiones y los costos operativos de la cuarta etapa de tratamiento se transferirán a la industria farmacéutica y cosmética según el principio de «quien contamina paga», con el fin de aliviar financieramente a la población e incentivar el desarrollo de productos más respetuosos con el medio ambiente. Además, el sector municipal de tratamiento de aguas residuales deberá ser energéticamente neutro para 2045 y se deberá monitorear la emisión de microplásticos y PFAS .

La implementación de las directrices marco se escalona hasta 2045, dependiendo del tamaño de la planta de tratamiento de aguas residuales y su población equivalente (PE). Las plantas de tratamiento de aguas residuales con más de 150 000 PE tienen prioridad y deben adaptarse de inmediato, ya que una proporción significativa de la contaminación proviene de ellas. Los ajustes se escalonan a nivel nacional en:

• el 20% de las plantas para el 31 de diciembre de 2033,
• El 60% de las plantas para el 31 de diciembre de 2039,
• El 100% de las plantas para el 31 de diciembre de 2045.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales con una capacidad de entre 10.000 y 150.000 habitantes equivalentes que vierten en aguas costeras o aguas sensibles se distribuyen escalonadamente a nivel nacional en:

• el 10% de las plantas para el 31 de diciembre de 2033,
• el 30% de las plantas para el 31 de diciembre de 2036,
• El 60% de las plantas para el 31 de diciembre de 2039,
• El 100% de las plantas para el 31 de diciembre de 2045.

Esto último se refiere a aguas con un bajo índice de dilución, aguas de las que se obtiene agua potable y aguas costeras, o aquellas utilizadas para el baño o el cultivo de mejillones. Los Estados miembros tendrán la opción de no aplicar el cuarto tratamiento en estas zonas si una evaluación de riesgos demuestra que no existe un riesgo potencial para la salud humana o el medio ambiente derivado de los microcontaminantes. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Estos pasos del proceso consisten principalmente en filtros de carbón activado que adsorben los microcontaminantes. Se ha sugerido la combinación de oxidación avanzada con ozono seguida de carbón activado granular (CAG) como una combinación de tratamiento rentable para residuos farmacéuticos. Para una reducción completa de microplastos, se ha sugerido la combinación de ultrafiltración seguida de CAG. También se está investigando el uso de enzimas como la lacasa secretada por hongos. ^{[ 47 ] [ 48 ]} Se investigan las celdas de biocombustible microbianas por su propiedad de tratar materia orgánica en aguas residuales. ^{[ 49 ]}

Para reducir la presencia de productos farmacéuticos en los cuerpos de agua, también se están investigando medidas de control en origen, como innovaciones en el desarrollo de fármacos o un manejo más responsable de los mismos. ^{[ 42 ] [ 50 ]} En Estados Unidos, la Iniciativa Nacional de Recogida de Medicamentos es un programa voluntario dirigido al público en general, que anima a las personas a devolver los medicamentos sobrantes o caducados y a evitar tirarlos al sistema de alcantarillado. ^{[ 51 ]}

Cada vez más, se utilizan aguas residuales tratadas o incluso sin tratar para el riego de cultivos. Las ciudades ofrecen mercados lucrativos para los productos frescos, lo que las hace atractivas para los agricultores. Debido a que la agricultura debe competir por recursos hídricos cada vez más escasos con la industria y los usuarios municipales, a menudo los agricultores no tienen más alternativa que utilizar agua contaminada con aguas residuales directamente para regar sus cultivos. El uso de agua cargada de patógenos de esta manera puede conllevar importantes riesgos para la salud. La Organización Mundial de la Salud elaboró ​​directrices para el uso seguro de aguas residuales en 2006. ^{[ 66 ]} Estas directrices abogan por un enfoque de «múltiples barreras» para el uso de aguas residuales, en el que se anima a los agricultores a adoptar diversas conductas para reducir los riesgos. Estas incluyen suspender el riego unos días antes de la cosecha para permitir que los patógenos mueran con la luz del sol, aplicar el agua con cuidado para que no contamine las hojas que probablemente se consuman crudas, limpiar las verduras con desinfectante o dejar secar los lodos fecales utilizados en la agricultura antes de usarlos como abono humano. ^{[ 67 ]}

El Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 tiene una Meta 6.3 que se formula de la siguiente manera: "Para 2030, mejorar la calidad del agua reduciendo la contaminación, eliminando, vertiendo y minimizando la liberación de sustancias químicas y materiales peligrosos, reduciendo a la mitad la proporción de aguas residuales sin tratar y aumentando sustancialmente el reciclaje y la reutilización segura a nivel mundial". ^{[ 70 ]} El Indicador 6.3.1 correspondiente es la "proporción de aguas residuales tratadas de forma segura". Se prevé que la producción de aguas residuales aumentará un 24 % para 2030 y un 51 % para 2050. ^{[ 39 ] [ 77 ] [ 78 ]}

Los datos de 2020 mostraron que todavía hay demasiadas aguas residuales domésticas sin recoger: solo el 66 % de todos los flujos de aguas residuales domésticas se recogieron en plantas de tratamiento en 2020 (esto se determinó a partir de datos de 128 países). ^{[ 8 ] : 17} Con base en datos de 42 países en 2015, el informe indicó que "el 32 por ciento de todos los flujos de aguas residuales generados por fuentes puntuales recibieron al menos algún tratamiento". ^{[ 8 ] : 17} Para las aguas residuales que sí se recogieron en plantas de tratamiento centralizadas, aproximadamente el 79 % se trató de forma segura en 2020. ^{[ 8 ] : 18}

En la Unión Europea, el 0,8 % del consumo total de energía se destina a las plantas de tratamiento de aguas residuales. ^{[ 39 ] [ 85 ]} La Unión Europea necesita realizar inversiones adicionales de 90.000 millones de euros en el sector del agua y los residuos para cumplir sus objetivos climáticos y energéticos para 2030. ^{[ 39 ] [ 86 ] [ 87 ]}

En octubre de 2021, los miembros del Parlamento británico votaron a favor de seguir permitiendo que las aguas residuales sin tratar procedentes de los desbordamientos de alcantarillado combinado se viertan en los cursos de agua. ^{[ 88 ] [ 89 ]}