Ozonización-biofiltración

La ozonización-biofiltración es un proceso de tratamiento de agua que combina la ozonización con la filtración biológica para eliminar contaminantes del agua. 

Ozonización-biofiltración

La ozonización-biofiltración integra un proceso de dos etapas:

Etapa 1. Ozonización (etapa de oxidación)

- Se disuelve ozono (O₃) en el agua para oxidar compuestos orgánicos e inorgánicos.

- Convierte moléculas orgánicas complejas en compuestos biodegradables, lo que facilita su eliminación.

- Destruye bacterias, virus y algas, y evita su proliferación microbiana.

- Beneficio adicional: la oxidación con ozono descompone micropoluentes, como productos farmacéuticos, pesticidas y sustancias químicas industriales.

Etapa 2. Biofiltración (etapa de tratamiento biológico)

- El agua pasa a través de un filtro de carbón activado biológico (BAC) o un filtro de arena.

- Los microorganismos beneficiosos colonizan el medio filtrante y se alimentan de la materia orgánica biodegradable.

- Esta etapa de biodegradación elimina los contaminantes residuales que la ozonización por sí sola no puede eliminar.

- El biofiltro captura partículas, metales pesados y subproductos de la desinfección (DBP).

Aplicaciones prácticas de la ozonización-biofiltración en el tratamiento de agua:

Tratamiento de agua potable

El ozono se utiliza en plantas municipales de tratamiento de agua para mejorar la calidad del agua sin tratar.  El ozono ha demostrado ser muy eficaz para eliminar problemas de sabor y olor causados por compuestos orgánicos como la geosmina y el 2-MIB.

Mayor eliminación de contaminantes

La combinación de oxidación química con tratamiento biológico puede eliminar o reducir significativamente los contaminantes que podrían ser resistentes al tratamiento biológico tradicional por sí solo, incluidos productos farmacéuticos, productos de cuidado personal, pesticidas y otros micropoluentes.

Reducción de subproductos de la desinfección

Al descomponer los compuestos orgánicos complejos antes del tratamiento biológico, el proceso puede reducir la formación de subproductos nocivos de la desinfección que podrían producirse si estos compuestos reaccionaran con cloro u otros desinfectantes utilizados en etapas posteriores del tratamiento del agua.

Mejora de la calidad del agua

El agua tratada puede alcanzar una calidad superior en cuanto a claridad, olor y sabor, lo que la hace adecuada para su reutilización en diversas aplicaciones o para su descarga en entornos sensibles.

Sostenibilidad

Al mejorar la eficiencia de eliminación de contaminantes, puede ser necesario un menor tratamiento químico en las etapas posteriores, y el proceso puede ayudar a reducir el impacto ambiental de la descarga de aguas residuales.

La ozonización-biofiltración resulta especialmente atractiva para modernizar plantas de tratamiento de aguas residuales existentes y cumplir normas ambientales más estrictas o tratar agua cuando los métodos convencionales no son suficientes. Sin embargo, requiere una gestión cuidadosa debido a la complejidad de la generación y manipulación del ozono, así como a la necesidad de mantener una comunidad biológica eficaz en el biofiltro.

Ventajas de la ozonización-biofiltración:

- Elimina contaminantes con mayor eficacia – Elimina productos farmacéuticos, pesticidas y disruptores endocrinos que la filtración convencional no retiene.

- Reduce los subproductos de la desinfección – Reduce los trihalometanos (THM) y los ácidos haloacéticos (HAA), disminuyendo los riesgos para la salud.

- Sostenible y sin productos químicos – Reduce la dependencia del cloro y de otras sustancias químicas, lo que la hace respetuosa con el medio ambiente.

- Mejora la estabilidad biológica – El agua tratada es menos propensa a la proliferación microbiana.
Mejora el sabor y el olor – Elimina los olores a humedad y a tierra del agua potable.

- Menores costos operativos – En comparación con la ósmosis inversa (RO), la ozonización-biofiltración consume menos energía y no produce residuos de salmuera.

El futuro de la ozonización-biofiltración:

- Ante la creciente preocupación por los micropoluentes, la ozonización-biofiltración se está convirtiendo en una alternativa preferida a los métodos tradicionales.

- Utilizada en grandes ciudades e industrias de todo el mundo, ofrece una solución rentable y respetuosa con el medio ambiente para obtener agua limpia.

- Los avances futuros podrían centrarse en la eficiencia energética y en la integración de la IA para optimizar los procesos.

A continuación se presentan estudios de caso específicos e investigaciones que muestran el uso de la ozonización-biofiltración.

Investigaciones de campo prolongadas sobre la ozonización-biofiltración para la reutilización de agua potable

Autores: V. Sundaram, K. Pagilla, T. Guarin, L. Li, R. Marfil-Vega

Resumen

Este estudio examinó los desafíos normativos, de diseño y operativos que plantea la implementación de la ozonización-biofiltración para la reutilización de agua potable. Los resultados demostraron que el pretratamiento con ozono mejoró significativamente el rendimiento del biofiltro. Se realizó un estudio de campo a largo plazo para evaluar la ozonización-biofiltración durante distintas estaciones y comparar su eficacia con la filtración convencional.

Hallazgos clave

- El estudio se centró en los obstáculos normativos, de diseño y operativos que plantea la implementación de la ozonización-biofiltración para la reutilización potable.

- Demostró que el pretratamiento con ozono mejoró significativamente el rendimiento del biofiltro.

Metodología:

- Se realizó un estudio de campo a largo plazo para evaluar la ozonización-biofiltración durante distintas estaciones.

- Se comparó la ozonización-biofiltración con la filtración convencional.

Resultados:

- Eliminación del 80-90% de productos farmacéuticos y productos de cuidado personal (PPCP).

- Reducción significativa de los subproductos de la desinfección (DBP) en comparación con la cloración.

- La biofiltración mejoró la estabilidad microbiana del agua tratada y redujo la demanda de cloro.

Lea el estudio completo aquí.

Evaluación a escala de demostración del tratamiento avanzado de agua mediante ozonización, biofiltración y carbón activado granular para la recarga gestionada de acuíferos

Autores: Samantha Hogard, Germano Salazar- Benites, Robert Pearce, Tyler Nading, Larry Schimmoller, Christopher Wilson, Jamie Heisig- Mitchell, Charles Bott 

Resumen

El programa Sustainable Water Initiative for Tomorrow (SWIFT) es una iniciativa del Hampton Roads Sanitation District para implementar la reutilización potable indirecta a fin de recargar el acuífero Potomac, agotado. Esta iniciativa se está demostrando en el SWIFT Research Center de 1- MGD con una serie de tratamiento que incluye coagulación/floculación/sedimentación (floc/sed), ozonización, biofiltración (BAF), adsorción con carbón activado granular (GAC) y desinfección UV, seguida de la recarga gestionada del acuífero. La eliminación del carbono orgánico total (TOC) se produjo mediante varias barreras de tratamiento, entre ellas floc/sed (26% de eliminación), ozono/BAF (30% de eliminación) y adsorción con GAC. Se observó la aclimatación de la BAF durante los primeros meses de funcionamiento de la planta, lo que coincidió con el establecimiento de la nitrificación biológica y la eliminación de metales disueltos. La formación de bromato durante la ozonización se controló eficazmente por debajo de 10 µg/L mediante monocloramina preformada y preoxidación con cloro libre. La N- nitrosodimetilamina (NDMA) se formó a una concentración media de 53 ng/L después de la ozonización y las BAF eliminaron >70% tras varios meses de funcionamiento. Los contaminantes de interés emergente se eliminaron mediante varias barreras de tratamiento, incluidas la oxidación, la degradación biológica y la adsorción. La saturación de estos contaminantes y del TOC total probablemente determinará el intervalo de sustitución del GAC. Se demostró que el proceso de tratamiento con ozono/BAC/GAC cumplía todos los objetivos de tratamiento definidos para la recarga gestionada de acuíferos.

Hallazgos clave

- Se investigó una combinación de ozono, biofiltración y carbón activado granular (GAC) para la recarga de acuíferos.

- Se demostró que el ozono mejoró la biodegradabilidad de los contaminantes, lo que aumentó la eficacia de la biofiltración.

Metodología

- Se evaluó la calidad del agua antes y después del tratamiento durante 12 meses.

Resultados

- Eliminación de más del 95% de micropoluentes, incluidos PFAS y productos farmacéuticos.

- Reducción del carbono orgánico total (TOC) en un 60%, lo que disminuye la posible formación de DBP.

- Recarga exitosa de aguas subterráneas con agua tratada de alta calidad.

Lea el estudio completo aquí.

Investigaciones de campo prolongadas sobre la ozonización-biofiltración para la reutilización de agua potable

Autores: V. Sundaram, K. Pagilla, T. Guarin, L. Li, R. Marfil-Vega

Resumen

Este estudio examinó los desafíos normativos, de diseño y operativos que plantea la implementación de la ozonización-biofiltración para la reutilización de agua potable. Los resultados demostraron que el pretratamiento con ozono mejoró significativamente el rendimiento del biofiltro. Se realizó un estudio de campo a largo plazo para evaluar la ozonización-biofiltración durante distintas estaciones y comparar su eficacia con la filtración convencional.

Hallazgos clave

- El estudio se centró en los obstáculos normativos, de diseño y operativos que plantea la implementación de la ozonización-biofiltración para la reutilización potable.

- Demostró que el pretratamiento con ozono mejoró significativamente el rendimiento del biofiltro.

Metodología:

- Se realizó un estudio de campo a largo plazo para evaluar la ozonización-biofiltración durante distintas estaciones.

- Se comparó la ozonización-biofiltración con la filtración convencional.

Resultados:

- Eliminación del 80-90% de productos farmacéuticos y productos de cuidado personal (PPCP).

- Reducción significativa de los subproductos de la desinfección (DBP) en comparación con la cloración.

- La biofiltración mejoró la estabilidad microbiana del agua tratada y redujo la demanda de cloro.

Lea el estudio completo aquí.

Efecto del ozono en los biopolímeros en los procesos de biofiltración y ultrafiltración

Autores: B. Siembida-Lösch, W. B. Anderson, Y. M. Wang

Resumen

El objetivo de este estudio a escala real fue determinar el efecto del ozono en las concentraciones de biopolímeros en los procesos de biofiltración y ultrafiltración (UF) que tratan agua superficial del lago Ontario. La ozonización estuvo fuera de servicio por mantenimiento durante 9 meses, lo que permitió investigar la acción del ozono en los contactores de carbón biológicamente activo (BACC) y la UF, en cuanto a la eliminación de biopolímeros. Dada la importancia de los biopolímeros en el ensuciamiento, esta fracción se cuantificó mediante una técnica cromatográfica. Se observó que el pretratamiento con ozono repercutía positivamente en la biomasa activa de los biofiltros. Sin embargo, dado que el aumento de la biomasa activa no se tradujo en una mayor eliminación de biopolímeros, la concentración de biomasa activa no puede servir como indicador indirecto del rendimiento de la biofiltración. Se comprobó que el aumento del tiempo de contacto en lecho vacío (EBCT) de 4 a 19 min solo tuvo un efecto positivo en la eliminación de biopolímeros mediante BACC cuando el ozono estaba fuera de servicio. Sin embargo, como mostró un experimento de balance de masa, el funcionamiento sin ozono produjo una mayor deposición de biopolímeros en una membrana de UF y un ligero deterioro de su rendimiento.

Hallazgos clave:

- Se investigó cómo afecta el pretratamiento con ozono a la eliminación de biopolímeros y materia orgánica disuelta.

- Se descubrió que el ozono mejora el rendimiento de la ultrafiltración al descomponer moléculas orgánicas grandes.

Metodología:

- Sistema de ozonización-biofiltración a escala de laboratorio para tratar aguas residuales sintéticas.

Resultados:

- Reducción del bioensuciamiento del 40-50%, lo que prolonga la vida útil de la membrana.

- Mayor actividad microbiana en los biofiltros, lo que aumenta la eficiencia de la biodegradación.

- Reducción significativa de la materia orgánica natural (NOM), lo que disminuye la formación de DBP en el agua potable.

Lea el estudio completo aquí.

Reducción de los precursores de subproductos de la desinfección y las sustancias que consumen cloro mediante una integración especial de la biofiltración y la ozonización: estudio piloto

Autores: P. D. Nguyen, T. D. Q. Le, N. H. Nguyen, K. T. Tran

Resumen

El río Saigón es la principal fuente de abastecimiento de agua de Ciudad Ho Chi Minh, Vietnam. Actualmente, la formación de subproductos nocivos de desinfectantes (DBP) en el agua distribuida por tuberías está aumentando debido al incremento de la contaminación por materia orgánica en el río Saigón y al mayor uso de cloro en las plantas de tratamiento de agua (WTP). Para proporcionar agua potable segura, las WTP deberían modernizar sus tecnologías convencionales existentes para el tratamiento de aguas superficiales a fin de reducir eficazmente los precursores de DBP y las sustancias que consumen cloro. En este estudio se evaluó el rendimiento a largo plazo de un sistema piloto que incluía una unidad de biofiltración-ozonización y un filtro de carbón activado biológico (BAC) para eliminar estos compuestos. A diferencia de otros estudios, se colocó un filtro percolador (TF) antes de un contactor de ozono de baja dosis para el pretratamiento del agua. Al recircular parcialmente el agua ozonizada al TF, se duplicó la eliminación del carbono orgánico disuelto (DOC), que contiene precursores de DBP, en la unidad TF-ozonización. Durante dos meses de funcionamiento con una calidad del agua del río muy fluctuante en la estación lluviosa, los sistemas piloto eliminaron de forma estable el 50 % del DOC, el 71 % del potencial de formación de trihalometanos (THMFP), el 71 % del Fe²⁺ y el 74 % del N-NH₄⁺. La unidad TF-ozonización fue eficaz para eliminar DOC, THMFP y NH₄⁺, mientras que el filtro BAC fue más eficaz para eliminar Fe²⁺. De implementarse, este sistema podría sustituir al proceso de precloración, que representa el 74 % del consumo diario de cloro en la WTP Tan Hiep. Los resultados obtenidos indican que la modernización de las WTP con los procesos evaluados puede proporcionar agua potable segura a los residentes de Ciudad Ho Chi Minh en el futuro.

Hallazgos clave:

- Se demostró cómo la ozonización-biofiltración reduce los precursores de DBP y la demanda de cloro.

Metodología:

- Se probaron dosis de ozono de entre 1 y 5 mg/L en sistemas de tratamiento a escala piloto.

Resultados:

- Reducción del 30-50% de los trihalometanos totales (THM).

- Reducción del 60% de los ácidos haloacéticos (HAA).

- Mejora de la estabilidad del cloro en el agua tratada.

Lea el estudio completo aquí.

Contaminantes persistentes de interés emergente en sistemas de ozonización-biofiltración

Autores: M. A. Sari, J. Oppenheimer, K. Robinson

Resumen

Se evaluó la calidad del agua, junto con datos de diseño y operación recopilados en múltiples estudios, para establecer un punto de referencia del rendimiento de la filtración biológicamente activa con ozono en aplicaciones de reutilización. Se priorizaron un total de 149 contaminantes de interés emergente, representativos de múltiples categorías y estructuras químicas, y se compararon sistemáticamente para dilucidar las diferencias aparentes en las capacidades de eliminación que dependen de diversos factores, como la matriz del agua de entrada, la proporción de ozono respecto al carbono orgánico, el tiempo de contacto en lecho vacío, el tipo de medio filtrante y el estado inicial del medio. Los resultados coincidieron con hallazgos anteriores en cuanto a la eliminación de compuestos fácilmente tratables, pero revelaron inconsistencias y lagunas de conocimiento entre varias instalaciones respecto a los compuestos más persistentes. El análisis de los datos recopilados en este esfuerzo de minería de datos de múltiples estudios también demuestra una compleja interacción entre la eliminación de contaminantes y numerosas variables de diseño y operación. Por ello, se justifica una investigación sistemática adicional para dilucidar los mecanismos de eliminación subyacentes.

Hallazgos clave:

- Se evaluó la ozonización-biofiltración para eliminar contaminantes de interés emergente (CEC).

Metodología:

- Sistema a escala piloto que utilizó agua de entrada de una planta de tratamiento a escala real.

Resultados:

- Eliminación de más del 85% de compuestos PFAS.

- Mayor biodegradación de contaminantes orgánicos complejos.

- Se mantuvieron bajos niveles de turbidez y proliferación microbiana.

Lea el estudio completo aquí.

Reutilización potable directa mediante tratamiento avanzado completo frente a ozonización-biofiltración

Autores: M. Noibi, J. Hooper, K. Bell, D. Funk

Resumen

Se comparó el costo de la reutilización potable directa (DPR) mediante ósmosis inversa (RO) y tratamiento avanzado completo (FAT) basado en un proceso de oxidación avanzada con el de una serie de tratamiento sin RO que utiliza ozono y filtración biológicamente activa (BAF). Los costos se calcularon suponiendo una mezcla de un 15% de agua sometida a tratamiento avanzado con el suministro actual de agua potable, el lago Lanier. Los costos de capital y operación amortizados a 30 años fueron de US$4,830/mil gal para FAT y de $1,900/mil gal para ozono-BAF. El principal costo adicional asociado con FAT se debió a la evaporación mecánica para eliminar el concentrado de salmuera de RO. Los costos de producción de agua mediante FAT con integración de un proceso RO de cizallamiento vibratorio mejorado (VSEP-RO) para concentrar aún más la salmuera de RO fueron inferiores a los de la evaporación mecánica por sí sola ($3,510/mil gal). Aunque VSEP-RO mejoró los costos generales, el tratamiento basado en ozono-BAF costó menos de la mitad que FAT. Por lo tanto, para las instalaciones interiores que contemplan la DPR, el ozono-BAF podría ofrecer una alternativa más económica que FAT.

Hallazgos clave:

- Se comparó la ozonización-biofiltración con la ósmosis inversa (RO) para la reutilización potable.

- Se descubrió que la ozonización-biofiltración ofrecía una alternativa rentable a la RO.

Metodología:

- Pruebas a escala piloto con efluentes de aguas residuales municipales.

Resultados:

- Eliminación del 80% de PPCP frente al 99% con RO, pero con un menor consumo de energía.

- No genera residuos de salmuera, a diferencia de la RO.

- Menores costos operativos, lo que la hace viable para aplicaciones a gran escala.

Lea el estudio completo aquí.

Pruebas piloto de reutilización directa e indirecta de agua potable mediante ozonización-biofiltración multietapa sin ósmosis inversa

Autores: J. Hooper, D. Funk, K. Bell, M. Noibi, K. Vickstrom

Resumen