Los tratamientos avanzados involucran la implementación de procesos luego del tratamiento secundario en donde se reduce la carga orgánica, presencia de metales y patógenos del agua residual [23]. En cuanto a los aspectos productivos, brindan algunas ventajas como:

1. ■ Se adiciona hidróxido de aluminio para disminuir el DBO [23].

2. ■ Si hay presencia de metales pesados en el agua, se emplean técnicas de adsorción mediante carbón activado [23].

3. ■ Decrece el remanente de fosfato mediante la adición de hidróxido de calcio [23].

4. ■ En ocasiones, el agua se solidifica. Por ende, se emplea la aireación para aumentar la solubilidad y proceder a una oxidación de la materia orgánica presente [23].

5. ■ En la remoción de los nitratos, se realiza el aumento del pH. Lo que permite que molecularmente se evidencie su separación con el agua [23].

Dentro de los tratamientos avanzados, existen las siguientes técnicas que emplean distintas fuentes tecnológicas para una potabilización adecuada:

2.1.1. Intercambio Iónico

El procedimiento se basa en un intercambio de iones disueltos como nitratos, fluoruros o sulfuros y se intercambian por iones de carga similar [24]. Para ello, el agua residual se dispone en un intercambiador que puede ser tanto catiónico como aniónico [25]. El proceso consiste en un intercambio electrostático entre los grupos funcionales del sólido y la resina, lo que conlleva a una desmineralización [24]. Los tipos de intercambiadores existentes se describen en la tabla 1.

Tabla 1
Tipos de intercambiadores iónicos

Fuente: elaboración propia.

Son estructuras poliméricas hechas de poliestireno divinilbenceno que están ubicadas dentro del intercambiador iónico para suavizar o remover minerales de sodio, calcio y magnesio [28]. Los tipos de resina son:

1. ■ Resinas catiónicas de ácido fuerte.

2. ■ Resinas aniónicas de base fuerte.

3. ■ Resinas catiónicas de ácido débil.

4. ■ Resinas aniónicas de base débil.

Las resinas están clasificadas como intercambiadores de cationes. Estas tienen un ion movible con carga positiva. Por su parte, las aniónicas poseen una carga negativa [31]. Además, durante su regeneración suelen someterse a diluciones de bases o ácidos fuertes [32].

Tabla 2
Clasificación según su red

Fuente: elaboración propia.

Una vez explicado el concepto teórico, se procede a realizar la descripción del montaje de un intercambiador iónico en el cual se lleva a cabo la potabilización del agua residual.

El agua residual que se dirige hacia la zona de alimentación del lecho, es impulsada mediante una bomba centrífuga. Esta va a conectarse con una válvula tipo globo para controlar el caudal de agua que ingresa a la parte superior del intercambiador. El proceso se realiza con el fin de obtener una dispersión de agua uniforme en la resina. Una vez el fluido entra en contacto con la red polimérica (resina), se ejecuta el intercambio de iones que contienen la misma carga. Posterior a ello, el agua se dirige hacia la parte inferior del tanque donde se encuentra una bomba que va a desplazar el agua tratada al 98% hacia la zona de distribución [33]

2.1.1.2. Aplicaciones de los intercambiadores iónicos

Este proceso consiste en la remoción de los sólidos que se encuentran en disolución. Llevando a cabo el intercambio de iones de hidronio y dividiéndolos en ácidos fuertes y débiles. Luego se combina con agua blanda y así brinda la proporción adecuada de sales [36].

Generalmente, se lleva a cabo mediante procesos de electrólisis, descomponiendo la molécula de agua en oxígeno y en hidrógeno gaseoso. La alcalinidad suele presentarse por la aparición de iones de calcio y magnesio [37].

Técnica catalogada como una oxidación térmica. Su temperatura de operación se encuentra alrededor de los 800°C y posee una capacidad calorífica de aproximadamente 3000 KJ/ kg. Dentro de este método, se tienen en cuenta procesos de secado y desgasado, pirólisis y gasificación y, finalmente, la oxidación de los gases que se generan en otras unidades operativas. Para ello, se realiza una combustión empleando hornos de parrilla u hornos rotativos y, así, poder realizar una purificación adecuada [39].

Esta técnica realiza la oxidación de efluentes que se encuentran diluidos. El método desempeña la degradación de biosólidos a través de un agente oxidante que le brinda la capacidad de ser un sistema autotérmico. Este mecanismo se realiza mediante cadenas. En donde a partir de una iniciación, se evidencia un ciclo de distribución de oxidación. El proceso de transferencia electrónica se lleva a cabo a una temperatura de 200°C y se mantiene una presión de 20 atm. En dicho método, se lleva a cabo una combustión en fase acuosa que no logra la mineralización de la materia orgánica. Lo anterior, genera la producción de especies oxidantes más potenciales. Una vez terminado el proceso, se obtiene un desecho sólido que se somete a un tratamiento ulterior [40].

Es un método que se utiliza para remover compuestos tanto orgánicos como inorgánicos que se encuentran presentes en el agua. El proceso se basa en emplear reactivos altamente oxidantes y sales. La especie reactiva comúnmente utilizada es el peróxido de hidrógeno y sales de hierro. Gracias a la fusión de estos dos compuestos, se puede llevar a cabo la remoción de efluentes. En caso de no manipular las sales, se realiza la combinación entre el peróxido y el oxígeno, lo que favorece a la reacción puesto que incrementa la velocidad de formación de los grupos hidroxilo [41].

La técnica se caracteriza por tener reacciones rápidas sobre las cadenas carbonadas y permitiendo la formación de radicales orgánicos. Sin embargo, es un método que tiende a ser susceptible ante los cambios bruscos de pH. La condición idónea para ello es que la reacción se encuentre en un medio ácido. Por lo que este valor se debe encontrar en un intervalo de 2,5 a 3,5, permitiendo que la desintegración del hidrógeno no sea significativa [41].

Para la producción del peróxido y las sales, se pueden utilizar catalizadores tanto homogéneos como heterogéneos. Esto con el fin de mejorar factores operativos como lo son la temperatura, la presión y el tiempo de residencia. Generalmente, se emplea un catalizador sólido ya que incrementa la velocidad de reacción, lo que permite que la remoción de los contaminantes sea eficiente [41]. Comúnmente, el proceso se realiza en la industria de colorantes porque mediante la adición de oxígeno se remueven compuestos nitrogenados que son nocivos para el ecosistema acuático [42].

Proceso de degradación del cual se obtiene una reacción fotoquímica que permite la descomposición de la materia orgánica y de los metales pesados que se encuentran en disolución. Para realizarlo se utiliza como fuente de energía la radiación UV proveniente de los rayos solares [43]. Al llevar a cabo el tratamiento, es necesario implementar un catalizador, porque el residuo orgánico presente en el agua no es capaz de captar por sí mismo los fotones que provocan la radiación uv, la cual degrada el contaminante [43]. Dentro de este método, existen dos subdivisiones:

El catalizador se encuentra en constante contacto con la luz solar, por lo que permite que se formen los radicales oxidantes para que remueva compuestos tanto orgánicos como inorgánicos. En este, se presentan múltiples reacciones radicales, las cuales surgen a partir de mezclas entre compuestos químicos y mediante la aplicación de una fuente energética. Generalmente, se emplea como especie reactante Dióxido de Titanio, y para el suministro energético se utiliza luz ultravioleta [44].

Es comúnmente denominada como el proceso Fenton, el cual se caracteriza por su alto potencial oxidativo. En este tratamiento la especie reactiva empleada es el oxígeno [45] y es el elemento que efectúa la oxidación produciendo radicales hidroxilos. No obstante, estudios han demostrado que el proceso podría ser más efectivo, empleando peróxido de hidrógeno, hierro u ozono, debido a su potente acción oxidante [46]. Gracias a esto, se remueve el 73% de los colorantes que se encuentran en el agua, reduciendo el DBO en un 63% y el DQO en un 53% [47].

Este método se encarga de la remineralización del agua llevando a cabo la eliminación de los compuestos orgánicos mediante la participación del ozono. Inicialmente, se inyecta aire hacia un generador de ozono. La molécula de oxígeno recibe choques eléctricos que buscan disociar la molécula para permitir la formación de ozono. Posterior a ello, el ozono entra en contacto con el agua residual mediante una cámara de contacto. En él, se encuentran dispuestos agitadores para incrementar la velocidad del proceso de degradación de la materia orgánica. Una vez purificada el agua, es necesario destruir el ozono, haciéndolo pasar por una malla para separar las impurezas. Por último, ingresa a un reactor en donde se termina de purificar para que pueda volver a ser recirculado [43]. El tratamiento con ozono es, usualmente, empleado en las industrias farmacéuticas puesto que remueve una gran proporción de antiinflamatorios, antibióticos y estrógenos. Además, es eficaz en el tratamiento de aguas residuales de índole tanto industrial como urbano [48].

El proceso consiste en la formación de peróxido de hidrógeno como agente oxidante a partir de la inmersión de un ion y un catión de oxígeno en una celda electrolítica, cuyas condiciones operativas se encuentran a una presión de 1 atmósfera y a una temperatura inferior de 100°C [43]. El tratamiento se lleva a cabo mediante la generación de cationes que desequilibran las moléculas dispersadas por el choque eléctrico. Haciendo que los ánodos se conviertan en radicales hidroxilos [49]. El método se puede realizar de dos formas (tabla 3),

Tabla 3
Tipos de oxidación electroquímica

Fuente: elaboración propia.

En el proceso, los electrones chocan con el agua provocando una pérdida energética para ir desnaturalizando la molécula y así llevar a cabo la separación [43]. Este inicia a partir de la captación de un electrón en un entorno no oxigenado cuya carga es negativa. Luego, se libera un electrón del agua para que haya una interacción entre ellos. Posterior a ello, el electrón que fue liberado, se mantiene en un medio oxigenado [28], que va a interactuar con el oxígeno y dar como resultado un radical OH. De esta manera, se lleva a cabo la potabilización del agua [50]. En esta técnica se busca producir electrones que son sensibles ante una reacción en un medio acuoso. [43]. Esto se efectúa a partir de fotones de una energía muy alta que son provocados por una fuente radioactiva [51].

La irradiación consiste en la desintegración del material tanto orgánico como inorgánico disuelto en el agua a partir de fuentes que emiten radiación. Usualmente, para dar origen a ello, se emplean elementos como el cobalto y el cesio:

Hay una desintegración molecular provocando la aparición de iones de níquel. Luego de ello, las moléculas niqueladas pasan por un proceso de excitación en donde desprenden fotones irradiados, contenidos en rayos gamma [43].

El elemento sufre una descomposición estructural, la cual deja hallazgos de partículas compuestas de cloruro de cesio que ingresan a un separador. En este, el cesio sale por la zona de fondos de la columna para luego dirigirse a un reactor nuclear que permite llevar a cabo la excitación de la molécula, formando fotones de rayos gamma [43]. Una vez obtenidos los rayos, se ponen en contacto con el agua residual provocando el rompimiento molecular que genera ionizaciones atómicas. Esto permite que las impurezas orgánicas se separen del átomo de agua [52].

El proceso consiste en la excitación de electrones a partir de lámparas ultravioleta, cuya longitud de onda debe ser de 190 nm. Al haber realizado dicha excitación, se presenta un fenómeno denominado fotólisis que consiste en la formación de radicales mediante la presencia de átomos de hidrógeno. Lo anterior genera una separación química en donde se visualiza una purificación del agua [43]. Este método consiste en emplear una molécula de peróxido de hidrógeno como agente oxidante. Su objetivo es desintegrarse en dos radicales OH, a partir de una escisión fotolítica provocada por la radiólisis generada para poder llevar a cabo el proceso de remoción de sustancias orgánicas, como lo son los fenoles [53]. Este método es eficiente al momento de retirar cloro residual del agua o para inactivar bacterias, virus y protozoos [54].

El sistema cuenta con un reactor, que realiza la reacción de oxidación para la purificación de los cuerpos de agua. Dicho reactor cuenta con dos entradas y una salida conectadas a unas válvulas que permiten el paso del flujo. Dentro de este, se encuentra localizada una lámpara ultravioleta [55]. Por otra parte, el montaje tiene una bomba encargada de impulsar las especies reactivas y el agua a purificar.

El agua residual y el peróxido de hidrógeno ingresan a un mezclador que permite que exista un mayor contacto entre sí. Luego de ello, el fluido ingresa por la parte inferior del reactor en donde entra en contacto con la lámpara UV. Esto provoca la descomposición molecular de la especie oxidante, la cual permite la degradación del material contaminante. Para ello, es necesario emplear sulfato de hierro como catalizador [55].

El agua residual pasa a través de las membranas, en donde las partículas sólidas se retienen en las paredes. Sus condiciones operativas, se encuentran bajo presiones de 100-180 KPa y emplean caudales que se encuentran en un rango de 2.5 hasta 25 m³/ día [59]. Luego del tratamiento, las membranas son lavadas con agua caliente. Después, son sometidas en una solución ácido-base y, por último, se les adiciona detergente caliente para regenerarlas [59].

En el proceso, el agua residual atraviesa la membrana en donde su posición cambia desde la zona más concentrada hasta la más diluida. En ese transcurso, se va a presenciar una presión diferencial. Por ende, el agua va a tener un movimiento inverso. Logrando así que los contaminantes emergentes queden en la zona diluida y el agua se encuentre potabilizada [60].

Hay una filtración que se realiza mediante un tamizado que se encarga de separar los sólidos suspendidos presentes en el agua. Este se ejecuta por diferencias de diámetro de partícula [61]. La presión operativa se encuentra en un rango de 0,5 a 3 bar y el diámetro de la partícula se estima en un intervalo de 0,05 a 10 micrómetros [61].

El agua se desplaza a través de fangos activados en donde se evidencia la separación de las partículas sólidas. Este reactor puede operar con altas concentraciones de sólidos suspendidos [62]. Además, cuenta con dos unidades de purificación. Una parte se basa en una purificación biológica para remover la materia orgánica y, la segunda, realiza una filtración para eliminar los sólidos presentes [63].

1. ■ Es empleado para purificar el agua residual caliente.

2. ■ Es utilizado para llevar a cabo la regeneración de las proteínas.

3. ■ Es partícipe en la separación de aceites que se encuentran en disolución.