Como la concentración de materia orgánica en las aguas de desecho puede ser muy alta, la mayor parte de las grandes industrias se la eliminan mediante el cultivo de bacterias (areobias y anaerobias) en grandes estanques llamados facultativos. Sin embargo, existe materia orgánica que no se comen las bacterias y se le llama material refractario, el cual es eliminado mediante carbón activado que tiene la propiedad de adsorber muchos de los materiales refractarios a los sistemas biológicos. Para eliminar contaminantes orgánicos y algunos sólidos en suspensión se usa carbón activado porque es muy poroso y tiene una gran superficie de contacto a la cual se adhieren y son eliminados.
    Algunos sistemas de digestión biológica utilizan el carbón activado en polvo para concentrar la fuente de alimento de las bacterias para que conviertan de manera más eficiente a la materia orgánica en biomasa o hasta en bióxido de carbono.
    Cuando los niveles de pureza del agua son aceptables entre 10 y 20 mg de material orgánico/L de agua como Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), es suficiente la instalación de filtros de carbón activado con flujo descendente. Pero si se requiere de un mayor grado de pureza entonces es conveniente la instalación del proceso a contracorriente con un tiempo de residencia de 20 minutos.
    Como el carbón activado es capaz de adsorber muchos compuestos orgánicos que no son biodegradables, resulta muy útil en el tratamiento de aguas de desecho de refinerías y de algunas industrias. También, en países desarrollados, lo utilizan en las plantas de tratamiento de aguas de desecho a pequeña escala, como en centros comerciales, unidades habitacionales o pequeñas poblaciones.
    El carbón activado que se utiliza en el tratamiento de aguas de desecho puede ser regenerado térmicamente con la pérdida de alrededor del 5 %. Cada kilogramo de carbón activado puede adsorber entre 200 y 400 g de materia orgánica antes de requerir ser regenerado.
   En países subdesarrollados los ecosistemas naturales y los ecosistemas planeados para purificar las aguas de desecho, son los más baratos y adecuados, pero estos sistemas requieren de campos 
 

Análisis del agua

    El desarrollo de los métodos analíticos para medir la clase y cantidad de las sustancias disueltas en el agua ha avanzado paralelamente a los adelantos en la química analítica y tales métodos son modificaciones de las técnicas y procedimientos que se utilizan para otros propósitos. Además de las consideraciones de precisión, exactitud, facilidad para la toma de muestras y rapidez de respuesta y costos de los métodos que influyen en la selección de los métodos analíticos que se utilizan en los laboratorios.
Los diferentes métodos analíticos se basan en los procedimientos de gravimetría y volumetría clásicos: el calcio se determina por la precipitación del oxalato de calcio, seguido de la calcinación y la cuantificación del peso del óxido de calcio formado; el magnesio por la precipitación del fosfato de amonio y magnesio, seguido de la calcinación y determinación del pirofosfato de magnesio; el bario por la formación del sulfato de bario; el potasio por la formación del cloroplatinato de potasio, seguido de la cuantificación del platino metálico después de la reducción con hidrógeno; el sodio se cuantifica indirectamente, por la diferencia entre las sumas de todos los cationes como sulfatos y la suma del magnesio, calcio y potasio calculados como sulfatos.
    El análisis de las aguas negras es necesario para cuantificar la cantidad de impurezas y determinar sus efectos, por eso se utilizan diferentes métodos para conocer las características, composición y condición de las aguas negras. Estos ensayos incluyen el examen físico, determinación de la cantidad de sólidos, de la cantidad de materia orgánica para determinar la demanda de oxígeno. Además, de observación al microscopio y análisis químicos y bacterilógicos.
    El análisis de sólidos o de residuos proporciona el tipo de sólidos, la dureza del agua y el estado de los sólidos, cuantifica la cantidad de sustancias disueltas y en suspensión. La calcinación separa a los componentes volátiles de los no volátiles o de la ceniza inorgánica. La cuantificación de los sólidos en suspensión sirve para determinar las características de producción de sedimentos del agua negra.
    La cuantificación de la materia orgánica sirve para averiguar las necesidades de oxígeno de las aguas negras. El agua negra se calienta en presencia de un agente oxidante como el dicromato de potasio. Este ensayo es de uso limitado. El ensayo para determinar el consumo de oxígeno utiliza permanganato de potasio como agente oxidante. El resultado es un índice de la cantidad de materia orgánica fácilmente oxidable. Los datos expresan, aproximadamente, el porcentaje de oxígeno disponible en el agua. Los ensayos para determinar la cantidad de nitrógeno incluyen al amoníaco, nitrógeno orgánico, nitritos y nitratos.
    Los ensayos bacteriológicos se utilizan principalmente para determinar la presencia de los microorganismos del grupo coliforme, se realizan en las corrientes de las aguas ya tratadas con cloro para valorar la eficacia del proceso de cloración. Cuando las aguas estaban contaminadas por heces fecales las determinaciones incluyen a microorganismos del grupo Salmonella o del grupo disentérico.

Las aguas negras

     La naturaleza procesa la contaminación que produce mediante procesos cíclicos (geoquímicos), pero actualmente le resultan insuficientes para procesar tanto la contaminación que es generada por las actividades del hombre como la propia.
     En todos los grandes centros urbanos del planeta Tierra se generan grandes cantidades de aguas negras como consecuencia del desarrollo de las actividades humanas, por lo que las principales fuentes de aguas negras son la industria, la ganadería, la agricultura y las actividades domésticas que se incrementan con el crecimiento de la población humana.
     Por otra parte, en la mayoría de los países los sistemas de aguas negras domésticas es el mismo para recibir las aguas pluviales lo cual provoca mayores problemas de contaminación porque acelera la distribución de aguas negras a lugares no previstos para ello.
     Las aguas negras son generadas por las actividades humanas y sólo en países desarrollados son tratadas parte de ellas, para eliminarles los componentes considerados peligrosos y para reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) antes de ser arrojados a los conductos de aguas negras. Sin embargo, en casi todos los países todavía las industrias arrojan las aguas de desecho a los desagües sin ningún tratamiento previo y en la mayoría de los países subdesarrollados son pocas las industrias que le dan algún tratamiento antes de ser desechadas, lo que a nivel global hace que el problema de la generación de las aguas negras aumente a medida que crece la población, la  industria y las demás actividades humanas.
     Los contamiantes biodegradables de las aguas negras pueden ser degradados mediante procesos naturales o en sistemas de tratamientos hechos por el hombre, en los que acelera el proceso de descomposición de la materia orgánica con microorganismos. 
     Se le llama tratamiento primario de aguas negras al proceso que se usa para eliminar los sólidos de las aguas contaminadas; secundario, al que se usa para reducir la cantidad de materia orgánica por la acción de bacterias (disminuir la demanda bioquímica de oxígeno) y terciario, al proceso que se usa para eliminar los productos químicos como fosfatos, nitratos, plaguicidas, sales, materia orgánica persistente, entre otros.
     Entre las disciplinas que participan en los proceso de tratamientos de aguas contaminadas se encuentran: ingenierías y ciencias exactas (ingeniería química, ingeniería civil, ingeniería mecánica y eléctrica, química y física), ciencias de la vida (biología , biología marina, microbiología, bacteriología), ciencias de la tierra (geología, hidrología, oceanografía) y, ciencias sociales y económicas (leyes, sociología, ciencias políticas, relaciones públicas, economía y administración).

Tratamiento primario de las aguas negras

Entre las operaciones que se utilizan en los tratamientos primarios de aguas contaminadas están: la filtración, la sedimentación, la flotación, la separación de aceites y la neutralización.
     El tratamiento primario de las aguas negras es un proceso mecánico que utiliza cribas para separar los desechos de mayor tamaño como palos, piedras y trapos. Las aguas negras de las alcantarillas llegan a la cámara de dispersión en donde se encuentran las cribas, de donde pasan las aguas negras al tanque de sedimentación, de donde los sedimentos pasan a un tanque digestor y luego al lecho secador, para luego ser utilizados como fertilizante en las tierras de cultivo o a un relleno sanitario o son arrojados al mar. Del tanque de sedimentación el agua es conducida a un tanque de desinfección con cloro (para matarle las bacterias) y una vez que cumpla con los límites de depuración sea arrojada a un lago, un río o al mar.

     Otra manera de hacer el tratamiento primario a las aguas negras conocidas también como aguas crudas de albañal, consiste en hacerla pasar a través de una criba de barras para separar los objetos de mayor tamaño. Algunas plantas de tratamiento de aguas negras tienen trituradores para los objetos grandes con el objeto de que no obstruyan esta etapa del tratamiento. Luego pasan las aguas a un tanque de sedimentación donde fluye lentamente para que sedimenten las piedras, arena y otros objetos pesados. De éste tanque las aguas negras pasan a otro grande llamado de asentamiento, en donde se sedimentan los sólidos en suspensión (quedan como lodos en el fondo del tanque) y, los aceites y las grasas flotan en forma de nata o espuma.
     Después de este proceso, en algunos casos, el agua que queda entre el lodo y la nata se escurre o libera al ambiente o se le da un tratamiento con cloro (proceso de cloración) para matarle las bacterias antes de ser arrojadas al ambiente o se hace pasar al tratamiento secundario.
     El tratamiento primario de las aguas negras elimina alrededor del 60 % de los sólidos en suspensión y el 35 % de los materiales orgánicos (35 % de la demanda bioquímica de oxígeno). 
     Solamente en los países desarrollados se trata cerca del 30 % de las aguas negras domésticas mediante el tratamiento primario y cerca del 60 % se somete al tratamiento secundario ya que éste cuesta aproximadamente el doble de lo que cuesta el tratamiento primario.

Tratamiento secundario de las aguas negras

     Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento secundario de las aguas contaminadas están: el proceso de lodos activados, la aireación u oxidación total, filtración por goteo y el tratamiento anaeróbico.
El tratamiento secundario de aguas negras es un proceso biológico que utiliza bacterias aerobias como un primer paso para remover hasta cerca del 90 % de los desechos biodegradables que requieren oxígeno. Después de la sedimentación, el agua pasa a un tanque de aereación en donde se lleva a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica y posteriormente pasa a un segundo tanque de sedimentación, de ahí al tanque de desinfección por cloro y después se descarga para su reutilización.
     El tratamiento secundario más común para el tratamiento de aguas negras es el de los lodos activados. Las aguas negras que provienen del tratamiento primario pasan a un tanque de  aireación en donde se hace burbujear aire o en algunos casos oxígeno, desde el fondo del tanque para favorecer el rápido crecimiento de las bacterias y otros microorganismos. Las bacteria utilizan el oxígeno para descomponer los desechos orgánicos de las aguas negras. Los sólidos en suspensión y las bacterias forman una especie de lodo conocido como lodo activado, el cual se deja sedimentar y luego es llevado a un tanque digestor aeróbico para que sea degradado. Finalmente el lodo activado es utilizado como fertilizante en los campos de cultivo, incinerado, llevado a un relleno sanitario o arrojado al mar.
Otras plantas de tratamiento de aguas negras utilizan un dispositivo llamado filtro percolador en lugar del proceso de lodos activados. En este método, las aguas negras a las que les han sido eliminados los sólidos grandes, son rociadas sobre un lecho de piedras de aproximadamente 1.80 metros de profundidad. A medida que el agua se filtra entre las piedras entra en contacto con las bacterias que descomponen a los contaminantes orgánicos. A su vez, las bacterias son consumidas por otros organismos presentes en el filtro. Del tanque de aireación o del filtro percolador se hace pasar el agua a otro tanque para que sedimenten los lodos activados. El lodo sedimentado en este tanque se pasa de nuevo al tanque de aireación mezclándolo con las aguas negras que se están recibiendo o se separa, se trata y luego se tira o se entierra.
     Una planta de tratamiento de aguas negras produce grandes cantidades de lodos que se necesitan eliminar como desechos sólidos. El proceso de eliminación de sólidos de las aguas negras no consiste en quitarlos y tirarlos, sino que se requiere tratarlos antes de tirarlos y su eliminación es muy complicada y costosa. 
     Algunas plantas de tratamiento de aguas negras utilizan filtros trompa, en donde las bacterias aerobias llevan a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica cuando las aguas escurren a través de un lecho grande lleno de piedra triturada cubierta de bacterias aerobias y de protozoarios.
     Como los tratamientos primario y secundario de aguas negras no eliminan a los nitratos ni a los fosfatos, éstos contribuyen a acelerar el proceso de eutroficación de los lagos, de las corrientes fluviales de movimiento lento y de las aguas costeras.
    Como los tratamientos primario y secundario de las aguas negras no eliminan productos químicos persistentes como los plaguicidas, ni los radioisótopos de vida media grande, los ambientalistas los consideran insuficientes, limitados e imperfectos, por lo que exigen que se debe hacer un mejor tratamiento de las aguas negras y de los desechos industriales, así como evitar una sobrecarga.
    Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas negras eliminan cerca del 90 % de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica (90 % de la demanda bioquímica de oxígeno). Una parte de los sólidos eliminados en este tratamiento se utiliza para la elaboración de fertilizantes pero la mayor parte de ellos se usa de relleno de terrenos o se tira al mar.
    En Estados Unidos, el tratamiento primario y el secundario combinados deben ser utilizados en todas las comunidades que cuenten con plantas de tratamiento de aguas de desecho. Sin embargo, este procedimiento deja todavía en el agua tratada entre un 3 y un 5 % en peso de los desechos que requieren oxígeno, 3 % de los sólidos en suspensión, 50 % del nitrógeno (principalmente en forma de nitrato), 70 % del fósforo (principalmente en forma de fosfatos) y 30 % de la mayoría de los compuestos de metales tóxicos y de productos químicos orgánicos.

Tratamiento terciario de las aguas negras

    Entre las operaciones que se utilizan en el tratamiento terciario de aguas contaminadas están: la microfiltración, la coagulación y precipitación, la adsorción por carbón activado, el intercambio iónico, la ósmosis inversa, la electrodiálisis, la remoción de  nutrientes, la cloración y la ozonización.
    A cualquier tratamiento de las aguas negras que se realiza después de la etapa secundaria se le llama tratamiento terciario y en este, se busca eliminar los contaminantes orgánicos, los nutrientes como los iones fosfato y nitrato o cualquier exceso de sales minerales. En el tratamiento terciario de aguas negras de desecho se pretende que sea lo más pura posible antes de ser arrojadas al medio ambiente. Dentro del tratamiento de las aguas de desecho para la eliminarles los nutrientes están la precipitación, la sedimentación y la filtración. Actualmente se aplican muy pocos tratamientos terciarios a las aguas negras domésticas.

Proceso de cloración

    El método de cloración es el más utilizado, pero como el cloro reacciona con la materia orgánica en las aguas de desecho y en el agua superficial produce pequeñas cantidades de hidrocarburos cancerígenos. Otros desinfectantes como el ozono, el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y luz ultravioleta empiezan a ser empleados en algunos lugares, pero son más costosos que el de cloración.
     El proceso más utilizado para la desinfección del agua es la cloración porque se puede aplicar a grandes cantidades de agua y es relativamente barato. El cloro proporciona al agua sabor desagradable en concentraciones mayores de 0.2 ppm aunque elimina otros sabores y olores desagradables que le proporcionan diferentes materiales que se  encuentran en el agua.
    Aunque el cloro elemental o en forma atómica se puede usar para la desinfección del agua, son más utilizados algunos de los compuestos de cloro como el ácido hipocloroso, el hipoclorito de sodio, el hipoclorito de calcio y el peróxido de cloro.
    Algunas de las reacciones químicas que ocurren entre compuestos de cloro y el agua se representan en las ecuaciones químicas siguientes:

  Hidrólisis del cloro:  Cl₂  +  2 H₂O -----> HCl  +  H₃O¹⁺  +  Cl^1-

  Disociación del ácido hipocloroso:  HClO  + H₂O ----> H₃O¹⁺  +  ClO^1- 

 Acidificación del hipoclorito de sodio: NaClO  +  H¹⁺ ---->  Na¹⁺  +  HClO 

     El cloro puede formar con el amoníaco las cloraminas que también tienen acción desinfectante. El peróxido de cloro también es capaz de oxidar a los fenoles. 
     El cloro tiene una acción tóxica sobre los microorganismos y actúa como oxidante sobre la materia orgánica no degradada y sobre algunos minerales. El cloro no esteriliza porque aunque destruye microorganismos patógenos no lo hace con los saprofitos.
     El tratamiento biológico puede resumirse en el siguiente diagrama: