Los compuestos orgánicos son una extensa clase de sustancias químicas formadas por carbono (C) y normalmente hidrógeno (H), a menudo combinados con oxígeno (O), nitrógeno (N), azufre (S), fósforo (P) o halógenos. Desempeñan un papel fundamental en el tratamiento de aguas industriales y residuales, ya que se presentan en forma de contaminantes, nutrientes, fuentes de energía e incluso materiales de explotación. Comprender sus propiedades químicas, su comportamiento en el agua y sus interacciones con los procesos de tratamiento es crucial para desarrollar sistemas eficaces de tratamiento del agua y las aguas residuales.

Propiedades y clasificación de los compuestos orgánicos

Los compuestos orgánicos pueden clasificarse según su estructura química, origen o función:

1. hidrocarburos

• Consisten exclusivamente en átomos de carbono e hidrógeno.
• Subdivisión en:
  • Hidrocarburos alifáticos (por ejemplo, metano, hexano): Cadenas simples o ramificadas.
  • Hidrocarburos aromáticos (por ejemplo, benceno, tolueno): Estructuras anulares con electrones deslocalizados.
• Relevancia: Componentes comunes de las aguas residuales industriales de la industria petroquímica.

2. compuestos orgánicos halogenados

• Hidrocarburos que contienen halógenos (Cl, Br, F).
• Ejemplos: Tricloroetileno, diclorometano.
• Relevancia: Altamente persistente y tóxico, poco biodegradable.

3. ácidos orgánicos

• Los grupos carboxilo (-COOH) confieren a estos compuestos propiedades ácidas.
• Ejemplos: Ácido acético, ácido cítrico.
• Relevancia: Influyen en el valor del pH y en los procesos de precipitación en los sistemas de tratamiento de aguas.

4. compuestos orgánicos nitrogenados

• Contener grupos amino (-NH₂) u otros compuestos nitrogenados.
• Ejemplos: Aminas, urea.
• Importancia: Puede aumentar la entrada de nitrógeno en las masas de agua y contribuir a la eutrofización.

5. compuestos orgánicos de fósforo

• Contienen fósforo en enlace orgánico.
• Ejemplos: Pesticidas, fosfolípidos.
• Relevancia: Contribuyen a la contaminación por nutrientes.

6. biopolímeros y sustancias naturales

• Hidratos de carbono, grasas, proteínas, lignina y sustancias húmicas.
• Relevancia: Frecuente en aguas residuales municipales y agrícolas.

7. compuestos orgánicos sintéticos

• Plásticos, tensioactivos, residuos farmacéuticos, plastificantes (por ejemplo, BPA, PAH).
• Relevancia: Problema creciente en el tratamiento de aguas debido a su persistencia y efecto tóxico.

Fuentes de compuestos orgánicos en el agua y las aguas residuales

1. Procesos industriales

   • Industria petroquímica: hidrocarburos, aromáticos, disolventes.
   • Industria química: compuestos halogenados, tensioactivos, plásticos.
   • Industria alimentaria: ácidos orgánicos, grasas, proteínas.

2. Aguas residuales domésticas

   • Productos de limpieza, productos de cuidado personal, residuos farmacéuticos.
   • Los compuestos orgánicos, como los tensioactivos y las fragancias, entran en las depuradoras a través de las aguas residuales.

3. Agricultura

   • Entrada de pesticidas, herbicidas y heces animales.
   • Los productos de degradación de las sustancias orgánicas se acumulan en las aguas superficiales y subterráneas.

4. Fuentes naturales

   • Descomposición de materia orgánica como residuos vegetales y sustancias húmicas.
   • Carbono orgánico disuelto (COD) procedente de procesos naturales de descomposición.

Importancia de los compuestos orgánicos en el tratamiento del agua y las aguas residuales

1. contaminantes y contaminación ambiental

Muchos compuestos orgánicos son tóxicos, cancerígenos o mutágenos y difíciles de biodegradar. Entre ellos se incluyen

• Compuestos halogenados como el tricloroetileno y los PCB, que son persistentes y bioacumulativos.

  • Peligro: Toxicidad para los organismos acuáticos, carcinogenicidad potencial.
  • Grenzwert: AOX im Trinkwasser < 0,1 mg/L (Deutschland).

• HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos), por ejemplo benzo[a]pireno, que proceden de procesos de combustión.

  • Peligro: Carcinogenicidad y daños a los ecosistemas.
  • Grenzwert: PAK (Benzo[a]pyren) im Trinkwasser < 0,01 µg/L (EU).

• Residuos de medicamentos, por ejemplo diclofenaco y antibióticos, que son biológicamente activos y difíciles de descomponer.

  • Peligro: Desarrollo de resistencia en los microorganismos, alteración de los sistemas hormonales.
  • Richtwert: Empfohlen < 100 ng/L (keine gesetzlichen Grenzwerte).

Influencia en los ecosistemas:

• Incluso concentraciones bajas pueden tener un efecto tóxico en peces y anfibios, perjudicando la reproducción y el crecimiento.
• Las sustancias persistentes se acumulan en los sedimentos y permanecen activas durante décadas.

Retos y requisitos:

• Las depuradoras convencionales no pueden eliminar por completo muchos de estos compuestos. Las sustancias persistentes requieren procesos especializados como la adsorción o la oxidación.
• Grenzwertbeispiele: EU-Wasserrahmenrichtlinie: Benzo[a]pyren in Oberflächengewässern < 0,03 µg/L.

2. nutrientes y eutrofización

Los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno y fósforo son nutrientes importantes. Sin embargo, en concentraciones elevadas favorecen la eutrofización, que altera considerablemente el equilibrio de las masas de agua.

• Compuestos nitrogenados (por ejemplo, amonio, urea):

  • Propiedades: Rápidamente biodisponible, favorece el crecimiento de las algas.
  • Consecuencias: La proliferación de algas (fitoplancton) provoca falta de oxígeno (hipoxia) y daña a los organismos acuáticos.
  • Grenzwert: Ammonium im Trinkwasser < 0,5 mg/L (Deutschland).

• Compuestos de fósforo (por ejemplo, ortofosfatos, fosfolípidos):

  • Propiedades: Incluso pequeñas cantidades pueden desencadenar efectos eutrofizantes.
  • Consecuencias: Formación de algas verdiazules tóxicas y deterioro de la calidad del agua.
  • Grenzwerte: Gesamtphosphor in Kläranlagen < 1 mg/L (EU), Phosphat im Trinkwasser < 6,7 mg/L (Deutschland).

Influencias en el tratamiento de las aguas residuales:

• Las altas concentraciones de nutrientes orgánicos, procedentes por ejemplo de la agricultura o la industria, saturan los procesos de tratamiento biológico.
• El exceso de nutrientes se elimina por nitrificación/desnitrificación (nitrógeno) o precipitación química (fósforo).

Proceso de eliminación de compuestos orgánicos 

La eliminación de compuestos orgánicos del agua y las aguas residuales es un aspecto clave del tratamiento de aguas industriales. Debido a las distintas propiedades de los compuestos orgánicos -desde los fácilmente degradables hasta los muy persistentes-, se utilizan diversos procesos físicos, químicos y biológicos. A menudo se combinan para garantizar la máxima eficacia.

1. procesos biológicos

Principio: Los procesos biológicos utilizan microorganismos para descomponer o convertir compuestos orgánicos. Los microorganismos oxidan las sustancias orgánicas a CO₂ y agua o las reducen a metano y otros productos intermedios.

Ejemplos de procesos biológicos:

• Tratamiento aeróbico de aguas residuales:

  • Los microorganismos oxidan las sustancias orgánicas en condiciones aeróbicas.
  • Aplicación: Plantas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales.
  • Proceso: El oxígeno se introduce en el tanque de aireación mediante aireadores para promover la actividad de las bacterias.
  • Productos típicos de degradación: CO₂ y biomasa (lodos de depuradora).

• Tratamiento anaeróbico de aguas residuales:

  • En los reactores sin oxígeno, los microorganismos convierten los compuestos orgánicos en biogás (metano y CO₂).
  • Aplicación: Adecuado para aguas residuales muy contaminadas (por ejemplo, de la industria alimentaria).
  • Proceso: Los sustratos orgánicos son descompuestos en etapas por microorganismos hidrolíticos, acidogénicos, acetogénicos y metanogénicos.

Ventajas de los procesos biológicos:

• Rentable, ya que no requiere productos químicos caros.
• Sostenible, especialmente mediante la producción de biogás.

Desventajas de los procesos biológicos:

• No es adecuado para compuestos orgánicos poco degradables (refractarios) como los HAP o los hidrocarburos halogenados.
• Sensible a las fluctuaciones de temperatura y a las sustancias tóxicas.