Tratamiento de efluentes

Tratamiento de efluentes
Bioprocesos II – 2011
Sebastián Cavalitto
Ecosistema: Comunidad de organismos
vivos que ineractúan unos con otros y con su
entorno físico, luz solar, agua y nutrientes
Ciclo del carbono
El 85 % corresponde a los océanos la mayoría como
CO2 o sus iones.
Se fija a través de la fotosíntesis
Ciclo del nitrógeno
Llega a los cursos de agua como NO3Se fija en la biomasa como amino
Se vuelve a oxidar por bacterias nitrificantes
En condiciones anóxicas puede ocurrir la desnitrificación
Ciclo del fósforo
Esta mayormente como ortofosfatos
Proviene de sedimentos terrestres o de desechos humanos
Siempre se mantiene en el mismo estado de oxidación
Metabolismo aerobio
microorg
Mat. org . + FN + P + O2 
→ µ org . + H 2O + CO2
Esta ecuación hace que los ciclos se mantengan
en estado estacionario
Debe reponerse el O2 para que el sistema siga
funcionando
Si existe un ingreso de materia orgánica se incrementa
el consumos de O2 y el sistema sale de balance.
Si el O2 se agota aparece flora anaeróbica
microorg
Mat. org . 
→ µ org. + SH 2 + H 2 + CH 4
Si existen metales pesados, se forman compuestos
organometálicos que tienen mayor toxicidad que los
metales solos.
CONTAMINACION
Condición en la que un medio o ambiente se vuelve
inadecuado para el fin a que se destinó
Tiene dos implicaciones:
1 La contaminación es relativa al uso que se desea dar al
medio.
2: Resulta un desperdicio purificar el agua más allá de los
requerimientos necesarios.
CONTAMINACION DE AGUA (Desde el punto de vista
ambiental):
Introducción de organismos, sustancias o energía
resultante de la actividad humana que impide el uso
legítimo como recurso natural o como medio ambiente
natural.
Fuentes de contaminación
Fuentes Puntuales
Aguas Negras domesticas: Desechos de hogares,
escuelas, oficinas y comercios
Desechos Industriales:
Aguas negras municipales: AN domesticas mezcladas
con desechos industriales permitidos
Son fáciles de minimizar o eliminar
Fuentes no puntuales
Escurrimientos urbanos o agrícolas
Las originadas por agua de lluvia urbana recolectada en
redes pluviales combinadas es mas compleja de combatir
Tipos de contaminantes
Material que demanda oxígeno (materia orgánica y
compuestos nitrogenados)
Nutrientes: Nitrógeno y fósforo (eutroficación de cursos de
agua)
Microorganismos patógenos: Patógenos directos para el
hombre
Patógenos para animales
Microorganismos que dentro de animales pueden generar
patologías por acumulación de toxinas
Sólidos suspendidos: Partículas orgánicas e inorgánicas
arrastradas por el agua residual
Sales
•Compuestos nitrogenados.
•Amoniaco (toxico directo para la fauna, disminuye la
efectividad del clorado por formación de cloraminas y
aumenta la demanda de O2)
•Nitratos (eutrificación ypueden causar enfermedades en
infantes
•Metales y compuestos orgánicos tóxicos
•Calor (contaminación térmica)
•pH
Control de la contaminación
Reducción de la generación de contaminantes
Recuperación de contaminantes de alto valor agregado de
los efluentes
Tratamiento para la reducción del contaminante
End of pipe (diseño tradicional)
Las tecnologías se han ido modificando con el
tiempo
In plan (diseño integrado)
Reducción de costos (idea central)
Se realiza en tres fases
F1: Revisión de todos los efluentes
Flujo (m3/h) y carga ([ ])
F2 Revisión de datos de F1 para establecer los
objetivos de reducción
Incrementar el reciclaje de H2O de refrigeración
Mejoramiento de los sistemas de enfriamiento
Recuperación de productos químicos
Eliminación de pérdidas de vapor
F3: Evaluación de los ahorros potenciales de inversión
y costes de una planta de tratamiento separada si se
reducen las corrientes estudiadas en 1 y 2
Tratamiento para su reducción
Tratamiento químico:
Especial para metales y venenos verdaderos
Tratamiento biológico:
Basado en el proceso en el que una población mixta
de microorganismos utiliza como nutrientes a las
sustancias contaminantes.
Imita a los procesos naturales
Los contaminantes desaparecen por degradación y
asimilación a la biomasa y por adsorción a las
biomasa.
Diferencias con un proceso microbiano industrial
Viabilidad rango y selectividad de los µorg usados
Concentración y naturaleza de los sustratos
Falta de asepsia
Variación en los flujos de sustratos
No da ganancias
Justificación del costo (relación de costo beneficio
según el uso)
Que hacer con los contaminantes luego de su
remoción
El proceso de tratamiento es en realidad un proceso de
separación donde se separa el agua purificada de una
corriente menor de contaminantes concentrados
En el caso de las aguas negras, deshacerse de los
lodos concentrados representa la mitad del costo del
tratamiento.
La industria es esencial para la economía moderna y sus
desechos deben ser eliminados de algún modo
El agua es un insumo primario en casi cualquier empresa
como solvente, reactivo, medio de reacción , de
transporte y de transferencia de calor.
Dependiendo del uso que se le vaya a dar al agua, es la
pureza que la misma debe tener.
Características de la aguas residuales
Contaminantes: mezcla compleja de compuestos
orgánicos e inorgánicos. No es práctico obtener un
análisis completo de la mayoría de las aguas residuales.
Se han desarrollado una serie de métodos empíricos
para la evaluación de la concentración de contaminantes
que no requieren el conocimiento de la composición
química específica de las muestras.
Los parámetros determinados se dividen en físicos y
químicos y los químicos se dividen a su vez en orgánicos
e inorgánicos
Físicos
Sólidos totales: Residuo de evaporación a 103 - 105°
105°C.
Sólidos suspendidos: sólidos sedimentables Material
particulado separable por centrifugación o filtración (mg/L
o g/L)
Sólidos suspendidos volátiles
Sólidos filtrables diámetro = 1 µm
Sólidos coloidales: diámetro entre 10-3 y 1 µm
Sólidos disueltos: moléculas orgánicas e inorgánicas e
iones que se encuentran presentes en disolución
verdadera en el agua. Totales menos suspendidos
Según su volatilidad a 600°
600°C:
Sólidos suspendidos volátiles: contenido orgánico
Sólidos suspendidos fijos: contenido inorgánico (mineral)
pH
Temperatura: es un parámetro muy importante por su
efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas y
velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a
usos útiles. Por otro lado, el oxígeno es menos soluble en
el agua caliente que en la fría.
Color
El agua residual reciente suele ser gris; sin embargo,
cuando los compuestos orgánicos son descompuestos por
las bacterias el oxígeno se reduce a cero, el color cambia
a negro.
Olor
Los olores son debidos a los gases producidos por la
descomposición de la materia orgánica. El olor más
característico del agua residual séptica (concentración de
oxígeno = 0) es el del sulfuro de hidrógeno producido por
los microorganismos anaeróbicos que reducen los sulfatos
s sulfuro.
Características químicas
Los métodos analíticos para contaminantes orgánicos se
clasifican en dos grupos:
Métodos de evaluación para la demanda de
oxigeno.
La cantidad de O2 necesaria para la eliminación biológica
de un material nutriente es un factor clave para expresar
su fuerza contaminante
No hay un único modo de determinar dicho valor.
El mayor problema es que no se conoce la composición
exacta de los efluentes.
En el caso de aguas Industriales la composición es más
conocida aunque siempre tiene un grado de
incertidumbre
Igualmente es conviene conocer la composición lo mejor
posible para no perder efluentes potencialmente valiosos
Se suele determinar en conjunto
Métodos para evaluación de parámetros de
demanda de O2
1- Demanda teórica de oxígeno (DTeO)
2- Demanda química de oxígeno (DQO)
Método de oxidación al dicromato
Ensayo de oxidación al permanganato
Ensayos de evaluación rápida
3- Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
Método de dilución
Métodos manométricos
4- Demanda total de oxígeno.
Métodos para evaluación de parámetros de
contenido de carbono
1- Carbono teórico total (COTe)
2- Carbono orgánico total (COT)
Método de oxidación húmeda
Determinaciones con analizadores de carbono.
Aguas residuales industriales
Poseen características más variables
Altos valores de DBO y bajos de SS (generalmente)
Aportan otros contaminantes además de compuestos
orgánicos
Tratamiento de efluentes
Diagrama esquemático del tratamiento
Pretratamiento
OBJETIVOS:
Eliminación de materia gruesa y arenosa cuya presencia
perturban el tratamiento posterior.
- Aliviadero de agua en exceso
- Rejas para eliminación de cuerpos de tamaño
excesivamente grueso
- Tamizado para eliminación de partículas en suspensión
- Trituración de elementos retenidos en las rejas
- Desarenado para eliminación de arenas y sustancias
densas
- Desengrasado, eliminación de grasas y aceites.
REJAS DE DESBASTE
Objetivo:
Retener y separar los cuerpos voluminosos flotantes y en
suspensión que arrastra el agua residual.
Son necesarias en cualquier Planta Depuradora.
TIPOS DE REJAS
CLASIFICACION POR INCLINACIÓN
- Horizontales
- Verticales
- Inclinadas
CLASIFICACION POR SEPARACIÓN ENTRE BARRAS
- Finas: separación entre barras menor a 1,5 cm
- Medianas: entre 1,5 y 5 cm (las de mayor utilización)
- Gruesas: entre 5 y 15 cm (a veces colocada antes de la
mediana)
DESARENADORES
Objetivo:
Separar los elementos pesados en suspensión (arenas,
arcillas, etc.) que lleva el agua residual y perjudicaría el
tratamiento posterior: sobrecarga de barros, depósito en
cañerías y canales, abrasión de impulsores de las bombas y
equipos.
Se aplica los mismos principios que cualquier equipo de
sedimentación, es decir aumentar la sección para que
disminuya el área y permitir la separación de un tamaño
de partícula.
Características:
( ρarena: 2,65 gr/cm3 dp ≥ 0,05 mm )
No es material biodegradable
Vs superiores a los sólidos orgánicos, si
degradables
En los tanques rectangulares de flujo horizontal se calcula
una velocidad crítica, que no debe superarse:
Flotación
CLASIFICACIÓN
- Flotación Natural
- Flotación Inducida
FLOTACIÓN NATURAL
Solo aplicable a sólidos o líquidos de densidades mucho
menores que el agua, caso típico de desengrasado o
desaceitado (aguas de refinerías)
Aplicable a diámetros mayores de 0,015 cm y Re < 0,5
FLOTACION INDUCIDA
Mecanismos
- Coagulación similar a sedimentación
- Incorporación de micro burbujas de aire en la
suspensión que se adhieren a las partículas y facilitan su
flotación (menor ρ global, mayor velocidad de ascenso).
NEUTRALIZACIÓN
Aplicable a aguas residuales ácidas y alcalinas.
CASO DE AGUAS RESIDUALES ACIDAS
Procedimientos de neutralización:
Lechos de piedra caliza (CO3Ca)
Cal u OCa (el método mas común por su bajo costo)
Na OH
CO3 Na2
Amoníaco (NH4OH) (no se lo utiliza por ser
contaminante)
ELECCIÓN:
Función de costo, capacidad de neutralización, velocidad
de reacción, almacenamiento, productos de
neutralización.
AGUAS RESIDUALES ALCALINAS
Los métodos de diseño son similares a los visto para
efluentes ácidos.
Los reactivos mas comunes son:
SO4H2 (el más común)
ClH
Son reacciones esencialmente instantáneas.
Alternativa:
Gases residuales con más del 14% de CO2 se pueden
burbujear en el agua residual, donde el CO2 forma CO3H2
que reacciona con la base presente (reacción lenta pero
efectiva). Se puede llevar a cabo con tubos perforados o
en torres con aspersores.
Los barros activados liberan CO2 luego tienen capacidad
de neutralizar el efluente (obviamente limitada).
HOMOGENEIZACION O ECUALIZACION
Objetivos:
- Mezcla de corrientes ácidas y básicas con el fin de
obtener un afluente uniforme a ser neutralizado
- Conseguir un caudal relativamente constante que
llegue a los sistemas de tratamiento biológico.
- Atenuar las variaciones de la DBO presentes en las
distintas cargas.
Tratamiento primario
En esta etapa es donde ocurre la primera
disminución de DBO
Tratamiento secundario
Las aguas residuales se ponen en contacto con una
población mixta de microorganismos en suspensión
floculenta en un sistema agitado y aireado
La materia en suspensión y la coloidal se eliminan de las
aguas residuales por adsorción y aglomeración en los
flóculos microbianos.
Esta materia y la soluble (DBO soluble) se eliminan mas
lentamente por el metabolismo microbiano
(ESTABILIZACION)
Durante la estabilización el material orgánico es
mineralizado y asimilado a nuevo material biológico.
Parte de la biomasa se descompone debido al
metabolismo endógeno.
Una vez que se alcanza el grado de tratamiento que se
desea, el material biológico, EL LODO, se separa del
agua residual por asentamiento.
El sobrenadante de la decantación es el agua residual
tratada que debe haber sufrido una reducción marcada
de la DBO soluble.
El lodo decantado se recicla al tanque de aireación
La proporción de nutrientes que se elimina por adsorción
, asimilación y mineralización depende de las condiciones
de operación y del agua a tratar.
Una planta que favorezca el crecimiento, eliminará
nutrientes mas rápido convirtiéndoos en lodos pero a
costa de incrementar el costo de separación y
disposición de los lodos.
Las condiciones de operación que favorecen el
metabolismo oxidativo generan menos lodos pero exigen
mejor aireación.
Sistemas de película biológica
Se ponen en contacto el agua a tratar con una película
de lama (población microbiana mixta) adherida a un
soporte
Se dividen en dos categorías:
Sistemas estacionarios o de medio fijo (los mas
antiguos)
Sistemas de medio en movimiento
Lecho percolador
El medio sólido está dispuesto como un lecho empacado a
través del cual gotea el agua residual. Se desarrolla en la
superficie del soporte una película de lama microbiana y el
agua fluye entre ella y el aire.
El O2 pasa del aire al agua y de ahí a la lama junto con los
nutrientes
El material en suspensión y coloidal del agua se aglomera y
adsorbe a la lama.
Los soportes se diseñan para que presenten una gran área
superficial de contacto con el líquido y el aire
Sistemas de medio en movimiento
Sistema de discos rotatorios
Discos de entre 2 y 3 m de diámetro, de materiales
sintéticos (poliestireno o polietileno corrugado). De 10 a
20 mm de ancho y separados de sus vecinos por esa
distancia.
Gira entre 1 y 7 veces por minuto.
Se puede mover por medios mecánicos o por aire
Lecho fluidizado
La lama esta adherida a un sistema sólido que flota en un
medio con movimiento vertical
Junta las ventajas del sistema líquido y el inmovilizado
No se bloquea como los percoladores por el exceso de
lama ni se lava como un sistema de lodos.
Remoción de nitrógeno
Si las aguas tienen un exceso de N y P (aguas negras)
solo pierden parte del N debido a la actividad
heterotrófica porque el rendimiento es muy alto.
Se trata de utilizar un metabolismo no asimilativo
Fuentes de contaminación con N
Los compuestos nitrogenados están entre los principales
contaminantes del agua y se encuentran en los efluentes de
las industrias mas importantes como NH3, NO3H, NO2H y
compuestos orgánicos solubles y en suspensión.
Las fuentes mas importantes de residuos nitrogenados son los
de la industria química que fabrican compuestos nitrogenados
(explosivos, agroquímicos) y los residuos humanos, animales
y de las plantas procesadoras de alimentos
La remoción biológica de N se lleva a cabo por dos
mecanismos sucesivos, la nitrificación y la desnitrificación
Nitrificación
La oxidación de amoniaco se lleva a cabo en dos etapas
por bacterias quimioautotróficas por un proceso llamado
en conjunto Nitrificación
La primera etapa es la oxidación de amonio a nitrito
(nitrosificación)
Dentro de los µorg que llevan a cabo estas reacciones
estan: Nitrosomonas europea y monocella y Nitrosococcus.
Tambien estan Nitrospira, Nitrosocystis y Nitrosoglea
1
NH 4 + + 1 O2 → NO2 − + 2H + + H2O
2
− 58 a 84 kcal
La segunda etapa es la oxidación de nitritos a
nitratos
Los organismos que realizan estas reacciones son:
Nitrobacter winogradskyi y Nitrocystis
1
NO2 + O2 → NO3 −
2
−
-15 a 20.9 kcal
El proceso global de la reacción es
NH 4 + + 2O2 → NO3 − + 2H + + H2O
− 73 a 104 kcal
Se ve con estas ecuaciones que hace falta una gran
cantidad de O2 para remover el N (4 kg O2 por kg de
NH3).
Se genera acido durante la reacción por lo que el agua
residual tiende a acidificarse durante la nitrificación.
En un sistema no controlado, esto termina deteniendo la
reacción por inhibición.
Desnitrificacion
Proceso por el cual el NO3- se descompone a N2, N2O y NO2.
Se realiza en un metabolismo anoxico donde el NO3- es el
aceptor final de electrones
Se produce por organismos heterotrofos Alcaligenes,
Achromobacter, pseudomonas, Micrococcus. Se usa una
población mixta que convierte a los NO3- en distintos
compuestos de N
Pueden usar una amplia gama de compuestos carbonados
(H de C, lipidos, alcanos, alcoholes) por lo que participan
tambien en la remoción de DBO.
5C (org ) + 2 H 2O + 4 NO3− 
→ 2 N 2 + 4OH − + 5CO2