Tratamiento de efluentes en la industria láctea

Tratamiento de efluentes en la
industria láctea
Problemas y soluciones
Leonardo Erijman
INGEBI
CONICET
INTI-Lacteos 2010
Tratamiento de efluentes en la
industria láctea
Problemas y soluciones
comprender los
procesos
Identificar los problemas
Hacer diagnósticos
Evaluar alternativas
Cómo funciona el tratamiento?
Los tratamiento biológicos se basan
en la capacidad de autodepuración
Aumenta DBO
baja conc OD
Demanda Bioquímica de Oxígeno
(DBO)
La cantidad de oxígeno disuelto requerida por
microorganismos para estabilizar la materia orgánica
Ensayo estandarizado para
medir el grado de contaminación
Demanda Química de Oxígeno
(DQO)
La materia orgánica se degrada químicamente
utilizando un oxidante fuerte
Otro ensayo estandarizado para
medir el grado de contaminación
Que hay que eliminar de los
efluentes?
• Compuestos orgánicos que consumen oxígeno
- degradan el cuerpo receptor
- interfieren con el balance de la vida acuática
la demanda de oxígeno
El problema está en la
deficiencia de oxígeno
Lagunas facultativas
De donde viene el oxígeno?
viento
oxígeno
oxígeno
efluente crudo
CO2, NH3, P
bacterias
oxígeno
algas
Sólidos
sedimentables
anaeróbico
– El oxígeno es producido por algas fotosintéticas e
introducido por aireación de la superficie
– El oxígeno es subsecuentemente utilizado por bacterias
aeróbicas para estabilizar (oxidar) la materia orgánica
Lagunas aireadas
De donde viene el oxígeno?
El oxígeno se introduce con aireación mecánica
Lagunas aireadas
El oxígeno se introduce con aireadores
Con una potencia de 1 kw/1000 m3, los gases (O2) y el material
soluble (materia orgánica) se mezclan uniformemente
los sólidos sedimentan
Lagunas aeróbicas
El oxígeno se introduce con aireadores
Con una potencia de 6-10 kw/1000 m3 los sólidos
(microorganismos) se mantienen en suspensión
Mezcla completa (aeróbicas)
vs. mezcla parcial (facultativas)
6-10 kw/1000 m3
0.8 - 1 kw/1000 m3
La materia orgánica la oxidan las
bacterias
Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l
Tiempo de aireación del efluente = tiempo de crecimiento de microrganismos
Tiempo de retención hidráulico (τ) = tiempo de retención celular (θ)
Barros activados: el mismo
principio, más compacto
Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l
1. Mantener los sólidos (bacterias) en suspensión
2. Separar los sólidos (bacterias) del efluente tratado
3. Recircular los sólidos
Proceso de barros activados
Cámara de
aireación
Sedimentador
Digestor
RAS
WAS
Return Activated Sludge Waste Activated Sludge
Tiempo de retención hidráulico (τ) << tiempo de retención celular (θ)
Barros activados:
Aireación
Se oxida la materia orgánica
Barros activados:
Sedimentación
Se separa el agua tratada del floc microbiano
Se recircula el floc microbiano a la cámara aireada
Microbiología de los barros
activados
sustratos
nutrientes
bacterias
bacterias
del floc
ciliados y
protozoos
Comunidades microbianas en el floc de barros activados
Microbiología de los barros
activados
Sistemas de lecho fijo
La oxidación es la única forma
de eliminar la materia orgánica
del efluente?
Tratamiento físico-químico
Tratamiento anaeróbico
Sistemas anaeróbicos
Cómo se reduce la DBO?
Polímeros
(polisacáridos, lípidos, proteínas)
hidrólisis por enzimas
bacterianas
Monómeros
(azúcares, ácidos grasos, aminoácidos)
fermentación
fermentación
acetato
H2 + CO2
metanogénesis
CH4 + CO2
CH4
Sistemas anaeróbicos
Quién produce metano?
Lagunas anaeróbicas
Líquido crudo
Materia orgánica
Alto DBO
Cañería
de entrada
Barro
Sólidos
P y N orgánico
Corteza
sólidos
Gases
dióxido de carbono
metano
amoníaco
Líquido tratado
menor DBO
Cañería
de salida
post-tratamiento
Reactor anaeróbico (UASB)
biogas
efluente
separador
de 3 fases
burbujas de gas
barro granular
manto de barro
ingreso
Lecho de barro anaeróbico ascendente
Reactores anaeróbicos
UASB
Contacto anaeróbico (AC)
Lecho de barro
granular
expandido (EGSB)
Filtro
anaeróbico (AF)
Reactor anaeróbico
con baffles (ABR)
Nada se pierde; todo se
transforma
Antoine Lavoisier (1743-1794)
Transformaciones en los
tratamientos
CO2
(40-50%)
DQO (100%)
Biogas (CH4)
(70-90%)
DQO (100%)
reactor
aeróbico
barro
(50-60%)
efluente
(5-10%)
reactor
anaeróbico
barro
(5-15%)
efluente
(10-30%)
Tratamiento de efluentes en la
industria láctea
Problemas y soluciones
Lagunas facultativas
Lagunas facultativas
Nuevas células
s
DBO efluente
Nuevas células
Lagunas facultativas
25 kg BOD/ha•d
Variaciones de pH y CO2 durante el día
Lagunas facultativas
• Temperatura (algas marrones a T< 10 °C)
• Carga orgánica
• Niveles de oxígeno disuelto
• Disponibilidad de nutrientes
• Presión depredadora (Cianobacterias)
Lagunas facultativas
Bacterias
reductoras de
sulfato (SRB)
ácidos grasos volátiles
bacterias
fermentadoras
hidrógeno
`
ácido
sulfídrico
sulfato
`
dióxido de
` carbono
Efluente de
industria láctea
Bacterias
fototróficas de
sulfuro (PSB)
ciclo del S en la
zona anóxica
Lagunas facultativas
Sobrecarga I: bacterias de
sulfuro verdes (GSB)
Lagunas facultativas
Sobrecarga II: bacterias de sulfuro
púrpura (fotosíntesis anoxigénica)
Lagunas facultativas
2 grupos de bacterias fotosintéticas
Bacteria de sulfuro púrpura
Chromatiaceae
granos de sulfuro
intracelular
Bacteria de sulfuro verde
Chlorobiaceae
granos de sulfuro
extracelular
Espumas en lagunas facultativas:
pond scum
Algas filamentosas
Spirogyra, Mougeotia, Zygnema
Cianobacterias
Algas azul-verdes
Hierbas flotantes en lagunas
facultativas: Lemna
Hierbas flotantes en lagunas
facultativas: Lemna
Ciudad de Devis Lake, North Dakota, EEUU
Mantenimiento de lagunas
facultativas
Mínimo, pero imprescindible
• Eliminación de sólidos de tratamiento preliminar (rejas, etc)
• Corte de pasto en taludes
• Eliminación de espumas y macrofitas de las superficie. Esto se
hace para maximizar la luz incidente, aumentar la reaireación y
prevenir cría de mosquitos
• Si hay cría de mosquitos sobre la espuma de lagunas
anaeróbicas se debe romper y hundir con hidrolavadora
• Mantener la entrada y salida de las lagunas libres de bloqueo
• Reparar taludes dañados
Mantenimiento de lagunas
facultativas
Lagunas facultativas
p. 444:
2008
Tiempo de retención hidráulico
V
El tiempo de retención hidráulico (teórico) es ! =
Q
3
V = volumen de la laguna (m )
Q= caudal promedio (m3/d)
Las lagunas no operan nunca a su τ teórico
• El caudal no es constante
• El barro acumulado disminuye el volumen de tratamiento (V)
La eficiencia de las lagunas no es óptima
• Zonas muertas
• Corto circuitos
Corto-circuitos en lagunas
Salida
Entrada
Peña Varón, M., Mara, D. (2004) IRC International Water and Sanitation Centre
Corto-circuitos en lagunas
Salida
Entrada
Peña Varón, M., Mara, D. (2004) IRC International Water and Sanitation Centre
Corto-circuitos en lagunas
Recuento de coliformes
Corto-circuitos en lagunas disminuyen la eficiacia del tratamiento
Banda CG, Sleigh PA, Mara DD. Water Sci Technol. 2005; 51 (12): 75-81
Optimas condiciones hidráulicas
en lagunas
El líquido ingresante debe ser
mezclado para evitar
sobrecarga localizada, pero se
debe evitar la creación de cortocircuitos
Salida lejos del paso del flujo
de líquido (esquina)
Lagunas en serie o en paralelo?
Entrada
Entrada
Salida
Salida
Velocidad de tratamiento = k ![concentración de contaminante]
Flujo pistón vs mezcla completa
Flujo pistón vs mezcla completa
Velocidad de tratamiento = k ![concentración de contaminante]
[Cfp] > [Cmc]
[Vfp] > [Vmc]
Lagunas en serie o paralelo?
• Varias lagunas en serie son más eficientes
que una gran laguna
• Lagunas largas y angostas o con bafles para
crear sistema con relación largo/ancho grande
• Disipar la turbulencia de entrada para reducir
la mezcla
Lagunas en serie
• Mayor costo
• Atención a la sobrecarga orgánica!!!
Solución a la deficiencia de
oxígeno: cuanto oxígeno?
1.5 kg O2 / kg DBO
60 m3 * 2000 mg/L = 120 kg DBO/d
7 kg O2/h (5,5 kw o 7,4 HP)
Proceso de barros activados
Cámara de
aireación
Sedimentador
Digestor
RAS
WAS
Return Activated Sludge Waste Activated Sludge
Tiempo de retención hidráulico (τ) << tiempo de retención celular (θ)
Pros y contras de los barros
activados
• Muy buena calidad de vertido
• Alto consumo de energía
• Compacto
• Requiere más O&M
• Confiable
• Generación de barro
• Versátil
Altamente dependiente del proyecto
(diseño y ejecución)
Conversión de lagunas en
barros activados
Problemas más frecuentes en
el diseño de barros activados
1. Deficiencia de oxígeno
2. Problemas en el sedimentador
3. Problemas por manejo de barro excedente
Problemas provocados por la
falta de oxígeno
Deficiencia de oxígeno
• Malos olores
• Mala depuración
• Bacterias filamentosas
(pérdida de sólidos)
Problemas provocados por la
falta de oxígeno
Problemas provocados por un
mal sedimentador
Qué puede fallar ?
• Fallas en la recirculación
• Flotación de barro
• Fuga de sólidos
Problemas en el diseño del
sedimentador
Problemas en el diseño del
sedimentador
Reactor en batch (SBR)
4. decantación
1. llenado
3. sedimentación
2a. reacción
2b. reacción
Sequencing batch reactor (SBR)
Problemas en el manejo de
barro excedente
100 kg DBO
20-50 kg barro
Problemas en el manejo de
barro excedente
Problemas en el manejo de
barro excedente
La disposición de barro es parte del tratamiento!!
Las necesidades de aireación
determinan el tipo de tratamiento
Hay un alto gasto de energía para el
tratamiento aeróbico
El problema del suero
DQO suero: 70.000 mg/L
DBO suero: 40.000 mg/L
cf. DBO efluente: < 3.000 mg/L
El problema del suero
60 m3 * 2000 mg/L = 120 kg DBO/d
7 kg O2/h (5,5 kw o 7,4 HP)
3000 L suero (DBO=40.000 ppm)
3 m3 * 40 kg/m3 =120 kg DBO
Duplica la carga
Por lo tanto duplica las
necesidades de oxígeno!
El problema del suero
Las necesidades de aireación
determinan el tipo de tratamiento
efluente
NO
DQO >>
4000 ppm
SI
Tratamiento
convencional
pre-tratamiento
anaeróbico
Tratamiento anaeróbico
Lagunas anaeróbicas
Lagunas anaeróbicas. Influencia
del pH
Eficiencia (%) de
reducción de DQO
Lagunas anaeróbicas. Influencia
de la temperatura
mes
Lagunas facultativas
El problema de la grasa
Representa un alto porcentaje de la carga orgánica
Las necesidades de aireación
determinan el tipo de tratamiento
efluente
NO
DQO >>
4000 ppm
SI
tratamiento
convencional
pre-tratamiento
anaeróbico
NO
SSEE >>
100 ppm
SI
Desengrasado
Lagunas desengrasadoras
Sistema de flotación por
presurización del reciclo (DAF)
Sistema de flotación por
presurización del reciclo (DAF)
flotación
mezcla
adsorción
Sistema de flotación por
presurización del reciclo (DAF)
barredor
reductor
puente
efluente coagulado
líquido
crudo
succión
recircul
deflector
bomba
Mezcla rápida/
floculador
tanque de
presurización
tolva
grasas
campana
barredor
recirculacion
Diagrama de flujo
efluente
material
flotado
tanque de
flotación
barro
sedimentado
Sistema de flotación por
presurización del reciclo (DAF)
El pre-tratamiento químico
aumenta la eficiencia
•
Uso de coagulantes
El propósito de la adición de coagulante es romper la
emulsión agua-aceite y desestabilizar las suspensiones
coloidales
• Sulfato de aluminio
• Policloruro de Aluminio (PAC)
• Cloruro férrico
• Polímeros catiónicos
Coagulación-floculación
Tareas de mantenimiento
•
Productos químicos
•
Compresor
•
Tanque saturación
•
Reductor de barredor
•
Goma de barredor
•
Disposición de grasas
Eliminación de grasa
La disposición de las grasas es parte del tratamiento!!
Ecualización
lleno
Tangente superior
caudal promedio
Ecualización req.
Vol: 1700 m3
volumen acumulado
Tangente inferior
vacío
Ecualización
Llegada crudo
Llegada crudo
El problema del fósforo
Eliminación de fósforo
Sal metálica
Cloruro ferroso
Cloruro férrico
Sulfato ferroso
Sulfato férrico
Sulfato de aluminio
Dosis (mg/L)
Relación metal:P
(kg/kg)
Eliminación de fósforo
Diseño de sistemas de tratamiento
Proximidad de poblaciones
Transporte de barro
Consumo de productos
químicos
Objetivos de tratamiento
Previsión de
ampliaciones
Factores de seguridad
Requerimientos de
oxígeno
Requerimiento de
nutrientes
Caracterización efluentes
(carga/caudal)
Relevamiento del área,
características del terreno
Costos de capital
Costos de O&M
Necesidades de personal
Temas de H&S
Selección de tratamiento
y configuración
Determinación cinética y
parámetros de proceso)
Dimensionamiento
(volumenes, tiempo
de residencia, etc)
Estimación de producción de
barro/grasa
Requerimientos de disposición