Las aguas negras se refieren a una categoría de aguas residuales que consiste principalmente en aguas residuales de inodoros. Además de heces y orina, también contienen agua de descarga y otras sustancias disueltas y no disueltas procedentes de las instalaciones sanitarias. En comparación con las aguas grises (aguas residuales de duchas, fregaderos y cocinas), las aguas negras tienen una mayor concentración de sustancias orgánicas, microorganismos patógenos y nutrientes.

En el tratamiento de aguas residuales industriales y municipales, el tratamiento selectivo de las aguas negras desempeña un papel fundamental para garantizar la seguridad higiénica y recuperar recursos valiosos como el agua, la energía y los nutrientes.

Composición del agua negra

La composición de las aguas negras varía mucho en función de la fuente (por ejemplo, hogares, industria, instalaciones públicas) y de los sistemas de descarga utilizados.

Componentes principales

• Sustancias orgánicas:
  • Sustancias biodegradables como grasas, proteínas y carbohidratos.
  • Elevada proporción de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO).
• Microorganismos patógenos:
  • Bacterias (por ejemplo, Escherichia coli), virus y parásitos de las heces.
• Nutrientes:
  • Compuestos nitrogenados (por ejemplo, amonio, urea).
  • Fosfatos procedentes de productos de limpieza o heces humanas.
• Sólidos:
  • Sustancias en suspensión y sedimentables, incluidos residuos fecales y fibras de papel.

Intervalos de concentración típicos

• DBO5: 300-600 mg/L.
• DQO: 600-1200 mg/L.
• Nitrógeno total: 40-80 mg/L.
• Fósforo total: 10-20 mg/L.
• Sólidos (SST): 150-400 mg/L.

Retos en el tratamiento de las aguas negras

El tratamiento de las aguas negras plantea exigencias especiales en materia de tecnología y gestión:

1. Seguridad higiénica:

   • Los microorganismos patógenos requieren desinfección para proteger la salud pública.

2. Alta carga orgánica:

   • La elevada concentración de sustancias orgánicas provoca un aumento de la demanda de oxígeno en los reactores biológicos.

3. Eliminación de nutrientes:

   • El nitrógeno y el fósforo deben eliminarse o recuperarse para evitar la contaminación ambiental (por ejemplo, la eutrofización).

4. Eliminación de sólidos:

   • Los sólidos sedimentables y en suspensión deben separarse eficazmente para evitar obstrucciones y averías.

5. Eficiencia de los recursos:

   • La recuperación de energía (por ejemplo, biogás) y nutrientes (por ejemplo, fósforo) es cada vez más importante.

Proceso de tratamiento de aguas negras

1. pretratamiento mecánico

El pretratamiento mecánico es el primer paso en la depuración de las aguas negras. El objetivo es eliminar los sólidos gruesos y las sustancias sedimentables para reducir la carga hidráulica y orgánica en las etapas de tratamiento posteriores.

Tecnologías:

• Rastrillos y cribas:
  • Eliminación de material grueso como papel, artículos de higiene y partículas sólidas.
  • Utilización de tamices finos (malla de 1-5 mm) para reducir las cargas sólidas.
• Trampa de arena:
  • Separación de materiales sedimentables como arena, limo y pequeñas partículas de piedra.
  • Evita los depósitos y el desgaste en las bombas y tuberías aguas abajo.

2. tratamiento biológico

El tratamiento biológico es el paso central en la eliminación de compuestos orgánicos y nutrientes de las aguas negras. Se distingue entre procesos aeróbicos y anaeróbicos, que a menudo se utilizan combinados.

El tratamiento anaeróbico de las aguas negras es una tecnología clave para la generación de energía sostenible y el tratamiento de las aguas residuales. En ausencia de oxígeno, los microorganismos descomponen las sustancias orgánicas y producen biogás, que se convierte en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2).

a) Digestión anaerobia

• Funcionalidad:

  • Los compuestos orgánicos son descompuestos por diversos microorganismos en varias etapas:
    1. Hidrólisis:
       • Los polímeros (por ejemplo, proteínas, grasas, hidratos de carbono) se descomponen en moléculas más pequeñas, como aminoácidos, ácidos grasos y azúcares.
    2. Acidogénesis:
       • Conversión de los productos de la hidrólisis en ácidos orgánicos, alcohol, hidrógeno y dióxido de carbono.
    3. Acetogénesis:
       • Formación de ácido acético (CH3COOH) como precursor de la formación de metano.
    4. Metanogénesis:
       • Los microorganismos metanogénicos producen metano (CH4) y dióxido de carbono a partir de ácido acético o hidrógeno.
  • Contenido típico de metano en el biogás: 50-70 %.

b) Reactores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):

• Funcionalidad:
  • Las aguas negras se bombean al reactor desde abajo y se canalizan a través de una manta de lodo granular.
  • Los microorganismos de la cubierta de lodos descomponen las sustancias orgánicas y producen biogás.
• Ventajas:
  • Tratamiento eficaz de aguas negras con alta carga orgánica.
  • Elevada producción de biogás y escasa necesidad de espacio.

Generación de energía

• El biogás producido puede quemarse directamente en una central de cogeneración para generar electricidad y calor.
• Uso descentralizado:
• Las aguas negras de barrios urbanos o urbanizaciones pueden tratarse en pequeñas plantas de digestión anaerobia.
• El biogás producido se utiliza para cubrir las necesidades locales de electricidad y calefacción, lo que permite un suministro energético autosuficiente.

Eficiencia de los recursos:

• Funcionamiento energéticamente positivo: la energía obtenida del biogás suele superar las necesidades energéticas de la planta.
• Protección del clima: el metano que se liberaría directamente de las heces se utiliza de forma controlada, lo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.