Depuración efectiva de aguas residuales industriales

Depuración efectiva
de aguas residuales
industriales
Depuración efectiva de aguas residuales industriales
Cada vez existen requisitos más estrictos en lo
que concierne a la limpieza de aguas residuales
provenientes de la industria.
Debido a las nuevas especificaciones legales y
modificaciones operacionales, existe una
creciente demanda de procesos que aseguran
la máxima flexibilidad para las instalaciones
depuradoras. Los procesos con oxígeno ofrecen
un gran rendimiento permitiendo a las plantas
existentes adaptarse a las nuevas tareas sin
tener que realizar ampliaciones o inversiones
estructurales.
Además de los objetivos como incrementar la
fiabilidad de los valores prescritos en aguas
residuales o asegurar una calidad adecuada para
el reuso en la planta, la demanda de espacio
juega un papel importante, especialmente en el
sector industrial. Los filtros biológicos, plantas de
lecho estático y biología de membrana se suman
a los conceptos de plantas convencionales en lo
que respecta a la extensión o el reemplazo de
plantas existentes. Además, el potencial sólo
puede ser explotado en su totalidad con oxígeno
puro (O2).
El dióxido de carbono (CO2) ofrece muchas
ventajas para la neutralización de aguas
residuales alcalinas. Para flujos parciales
contaminados con sustancias persistentes, el
ozono (O3) es el remedio ideal.
Este folleto describe, basándose en los ejemplos de
aplicaciones actuales, como se puede explotar el
potencial de la ingeniería de proceso moderna, por
medio del uso de los gases técnicos O2, CO2 o O3.
El oxígeno en la tecnología de tratamiento de
aguas residuales
El oxígeno puro es “oxígeno atmosférico concentrado” sin el lastre del nitrógeno:
• El oxígeno se puede disolver en agua con mayor
rapidez y usando menos energía. Esto permite
una respuesta flexible, incluso con demanda de
grandes fluctuaciones.
• Cuando se usa oxígeno puro, sólo se debe
introducir el 4% aprox. del volumen de aire,
resultando las siguientes ventajas:
• Menor gasto en aparatos para la entrada de gas
• Reducción de la formación de aerosoles y de
sustancias de olor intenso
• Menos interrupciones hidráulicas en la operación
de plantas
• No se alteran los procesos de sedimentación por
flotación no intencionada (la sobresaturación de
nitrógeno en tanques hondos de ventilación
permite que el gas salga en la sedimentación
final).
Fig. 1: Técnica de entrada de oxígeno puro desarrollada por Messer: manguera de gas (izq.), inyector (centro), oxidador (dcha.)
Sistemas de entrada de oxígeno
Las ventajas económicas del suministro de
oxígeno puro son sólo viables con una tecnología
apropiada. En la práctica, ya se ha probado la
eficacia de las mangueras especiales para la
alimentación de gases, inyectores y oxidadores.
Portada: Planta de tratamiento de aguas residuales de
BASF en Ludwigshafen (7 millones de EW)
La elección del sistema depende de la aplicación
y de las circunstancias locales. La geometría del
tanque y la disponibilidad así como el coste de la
energía eléctrica constituyen parámetros
importantes.
Desnitrificación
Nitrificación
o
2
Input
Sedimentación final
o
2
Input
Sedimentación preliminar
Fango activo
Fig. 2: Diagrama de la conversión de una planta de tratamiento de agua al proceso Biox ®-N
Resolución de problemas en la práctica
Cobertura de carga máxima por medio de
la aireación parcial con oxígeno (APO)
Los problemas de olor en plantas de tratamiento
de aguas indican normalmente una falta de
oxígeno. Como las fluctuaciones extremas a
corto plazo en la demanda de oxígeno estaban
causando problemas de olor, la planta de
tratamiento de aguas de Emschermündung en
Alemania ha operado con éxito durante más de
20 años con el suministro adicional de oxígeno
puro, eliminando así la necesidad de mayores
medidas.
Otro ejemplo sería el de una planta de procesamiento de patatas que registró un incremento de
la producción. A pesar de la ampliación de la
planta depuradora para incluir un reactor discontinuo secuencial, no se pudieron conseguir los
valores requeridos del agua residual.
Adicionalmente, se suministró oxígeno puro a
uno de los dos reactores. Se empleó oxígeno
puro en la mitad de los aireadores, mientras que
la otra mitad seguía operando con aire. Tras la
conversión al modo de operación APO, se
pudieron alcanzar los valores del agua residual
por debajo de los límites en el reactor convertido.
Para procesos discontinuos como cisternas por
lotes o reactores discontinuos secuenciales,
utilizados en la industria alimentaria, la alta
demanda de oxígeno es característica de la
introducción de lotes de agua residual fresca.
En una instalación de tratamiento de aguas
residuales procedentes de una planta procesadora de leche, a pesar de las dimensiones del
sistema de aireado, las sobrecargas de hasta el
280% de los valores nominales normalmente
conllevan una falta de oxígeno. El suministro de
oxígeno se proporciona actualmente por una
planta de oxígeno puro (GPO) cubriendo
perfectamente las fases de máxima demanda de
oxígeno.
Mejor rendimiento para la nitrificación y
desnitrificación
Para eliminar el nitrógeno en la tercera etapa de
depuración, según manda la legislación, Messer
ha desarrollado el proceso Biox®. El rendimiento
biológico aumenta considerablemente por medio
de la ayuda o el reemplazo de la aireación
convencional por oxígeno puro, mientras que, al
mismo tiempo, aumenta la biomasa presente en
el sistema (Fig. 2). Así es posible separar un
volumen suficiente para el tanque de desnitrificación. Una de las mayores plantas depuradoras
del mundo utiliza oxígeno para la nitrificación,
proporcionado por medio de placas de aireación
de Messer.
Sobresaturación de nitrógeno/ flotación:
problema resuelto con oxígeno puro
En tanques y balsas biológicas hondas, la aireación puede llevar a concentraciones tan altas de
nitrógeno disuelto (no consumido por microorganismos como el oxígeno) que esporádicamente expulsa el gas en el tanque de sedimentación superficial. La flotación ocurre entonces en
el tanque de sedimentación, lo cual empeora los
valores en el agua residual. Con una profundidad
de agua de 10 m en el tanque de aireación, se
encuentran valores de sobresaturación del 150%
en el tanque de sedimentación de una planta
piloto de 3000 EW. Al suministrar de forma
continua o intermitente oxígeno puro en vez de
aire comprimido, la sobresaturación de nitrógeno
se reduce y el tanque de sedimentación opera sin
problemas.
Depuración compacta en filtros aireados con
oxígeno
Los procesos de biofiltración se usan para
la depuración o depuración posterior, si se desea
que el agua residual esté libre de partículas y
tenga valores bajos estables (por ejemplo de
amoníaco). Un sistema económico y compacto
es el filtro de arena continuo de dos fases en el
cual la arena de cuarzo se usa como filtro
y soporte para la biomasa.
Las plantas son apropiadas tanto para el uso
permanente como temporal. Cuando se
proporciona oxígeno puro en la primera etapa
aeróbica, se asegura una óptima operación:
Por tanto, aparte de la sedimentación, la fase
biológica es considerablemente más compacta.
La calidad del efluente de una biología de
membrana está libre de sólidos y cumple con los
estándares higiénicos de agua para el baño, por
lo que las posibilidades de reutilización para el
agua son positivas.
Sin embargo, el rendimiento potencial de una
biología de membrana sólo puede ser explotada
si los sistemas de aireación con oxígeno puro
complementan o sustituyen la aeración convencional. La mezcla de agua residual y fango
activo en biologías de membrana es muy viscosa,
lo que provoca que se complique la absorción de
oxígeno desde el sistema de aireación de
presión. Messer ha desarrollado un sistema de
inyección de oxígeno para este fango activo
altamente viscoso, con el cual se pueden
conseguir mayores índices de entrada de
oxígeno. En comparación directa, en una biología
de membrana, este sistema consiguió una
eficiencia disolvente 2,5 veces mayor con un
consumo de energía 2,5 veces menor que con
inyección de aire. En el caso de reactores
operados bajo presión, el ahorro de energía es
aún más drástico. En una planta de agua de
filtración, se probó el sistema para proporcionar
suministro de oxígeno complementario en caso
de máxima demanda, y se consiguió mejorar la
depuración en un 40%.
• Filtración libre de alteraciones gracias al
reducido volumen de gas
• No se forman canales en el lecho de arena
• Se reduce la emanación de partículas de olor
intenso
• No hay precipitaciones de cal no deseadas
El total del contenido sólido que queda en las
aguas residuales está por debajo de los 10 mg/l,
lo que posibilita el reciclaje directo de las aguas
residuales limpias en procesos de producción.
Ejemplos de aplicación:
• En el contexto de remediación y desecación de
tierras, los filtros continuos de arena con un
tiempo de residencia corto (menos de 10
minutos) han conseguido índices de eliminación de más del 99% para HAM (hidrocarburo
aromático monocíclico), y del 92% para HAP
(hidrocarburos aromáticos policíclicos). Los
valores del agua residual referentes a HAM y
HAP fueron inferiores a 3 µg/l.
• En la industria de procesamiento de papel
residual, se conectó un filtro de arena después
de la fase de tratamiento anaeróbico. Para
cargas de sulfuro de hasta 2,7 kg S/m3 . d, el
grado de degradación estaba por encima del
97% y el valor efluente de sulfuro por debajo
de 1 mg/l. La tasa de eliminación para sólidos
(TSS) fue del 80% a casi el 100% y resultaron
unos valores efluentes de 20 mg/l. La
reducción de COD en el filtro fue aproximadamente del 50%.
Ventajas del oxígeno puro en plantas de
tratamiento de aguas residuales industriales
• Mejor resultado de depuración
• Control de picos de carga y sobrecargas
continuas
• Nitrificación segura
• Menor emisión de olor
• La entrada de oxígeno se realiza de manera
silenciosa
• Mayor fiabilidad operacional
• Apropiado para uso de emergencia en caso de
fallo del aireador
• No es más costoso ni lleva más tiempo
• Puede usarse como solución transitoria o
temporal
• Menor coste de inversión comparado con las
plantas de construcción convencional
Biología de membrana. Seguridad en un
espacio mínimo – ideal con oxígeno
La purificación de aguas residuales en biologías
de membrana, en la cual una microfiltración a
través de las membranas reemplaza la sedimentación convencional (Fig. 3), es particularmente
segura y ahorra espacio. El contenido de sedimento activo es mayor (de factor 3 a 8) que en
las plantas convencionales.
Tecnología de membrana
Incremento del contenido de sedimento
Filtración
Entrada
Agua residual
agua residual
limpia
Descarga del
sedimento
Entrada de oxígeno
Fig. 3: Ahorro de espacio a través de la biología de membrana
Sedimento activado
Fig. 4: Neutralización con CO2 del sitio en construcción en una estación de ferrocarril de Berlin, la antigua estación Lehrter.
La neutralización y regulación del pH con CO2
elimina la salinización en la circulación del
agua
Se debe neutralizar el agua residual alcalina antes
de que pase por la planta de depuración
biológica, donde la neutralización con CO2 está
aumentando en importancia:
Fase I
Fase II
Fase III
Ácido mineral
CO2
Rango permitido
2OH-+CO2
CO32-+CO2+H2O
CO32-+H2O
2HCO3
Consumo de CO2
• La comparación de los valores de consumo
estequiométrico entre el CO2 y los ácidos
minerales con una utilización completa es
particularmente favorable al CO2. Esta es la
razón por la cual en comparaciones de coste
también suele salir ganando el CO2.
• Los contenidos bajos en sal no sólo son
importantes para las cargas de agua residual,
sino también para el uso múltiple de casi todos
los circuitos cerrados de agua. En el caso del
CO2, se eliminan los problemas de corrosión
provocados por la salinización con cloruros o
sulfatos.
• La fig. 5 muestra la curva de neutralización de
un ácido mineral en comparación con el ácido
carbónico. La baja curva de neutralización del
CO2 nos muestra que, en el momento en que
se añade, incluso en el rango cercano al punto
neutro, sólo tiene un ligero efecto en el valor
del pH, y que prácticamente excluye la
sobreacidificación (al contrario que los ácidos
minerales).
Fig. 5: Diagrama de curvas de neutralización para el uso de CO2
y ácidos minerales.
Fig. 6: Componentes de neutralización usados por Messer:
Manguera de aireación (izq.), depósito construido por un cliente (centro), alimentación líquida (dcha.)
Para la alimentación y disolución del CO2 en el
agua, Messer usa una variedad de sistemas:
reactores tubulares, sistemas a presión,
mezcladores estáticos, eyectores o incluso
placas de aireación. La técnica usada depende
de la calidad del agua, por ejemplo de la dureza,
y las circunstancias locales.
Messer proporciona a cada cliente un proceso a
medida con el mejor uso del CO2 y por tanto la
solución más económica. Messer tiene experiencia
en este tipo de tratamiento contando con más de
150 plantas de neutralización (Fig. 4 y 7).
Fig. 7: Neutralización con CO2 de agua residual alcalina de la industria textil
Ventajas de la neutralización y regulación del
pH con CO2:
• No hay salinización por cloruros, sulfatos, etc.
• Respetuoso con el medio ambiente
• No hay cargas por incremento de contenido de
sal
• Adecuado para reutilización en circuito cerrado
• Se elimina prácticamente la sobreacidificación
• No hay problemas de corrosión
• Bajo coste operativo
• Posible precipitación controlada de metales
pesados o componentes de dureza
La neutralización con CO2 ya se ha llevado a
cabo en los siguientes sectores industriales:
• Industria de la bebida
• Centrales lecheras
• Industrias papeleras
• Procesos galvánicos
• Metalurgia
• Industria textil y peletera
• Industria química
• Industria del vidrio
• Plantas de energía
• Lavanderías
• Neutralización de aguas residuales de obras
Fig. 8: Planta de ozono para oxidación de flujo parcial de agua residual (Foto: Wedeco)
Ozono: oxidación y desinfección sin
salinización
Si el agua residual contiene sustancias orgánicas
resistentes a la biodegradación, o si la actividad
biológica en el circuito del agua debe ser limitada,
el tratamiento de ozono es el proceso más
adecuado. Después del flúor, el ozono es el
oxidante más potente. Sin embargo, reacciona
para formar productos oxidantes y oxígeno, y no
causa salinización del agua tratada.
El ozono no se puede almacenar, por lo que se
produce siempre desde el oxígeno en generadores de ozono on-site (Fig. 8). Para aplicaciones
industriales, se pueden conseguir concentraciones de ozono del 10 al 14% por peso con un
consumo de energía por debajo de 10 kWh/kg.
Estas altas concentraciones, que sólo pueden
conseguirse aplicando oxígeno puro, son
beneficiosas porque los costes mecánicos y
energéticos para la disolución del ozono en el
agua son inferiores y las reacciones ocurren más
rápidamente. El siguiente ejemplo de aplicación
ilustra las ventajas del ozono.
Ozono en combinación con fases de tratamiento
biológico aeróbico
Para poder atacar las sustancias resistentes a la
degradación directamente con ozono, el tratamiento
de ozono está conectado muchas veces tras una
fase de limpieza biológica. En oxidaciones parciales,
el ozono combate los componentes persistentes
que han quedado en el agua, y de esta manera, se
hacen accesibles para la purificación biológica. Una
medida para la degradabilidad de los componentes
del agua residual es el índice de DQO a DBO
(demanda química de oxígeno a demanda biológica
de oxígeno). Como más pequeño es este índice,
mejor será la depuración biológica del agua. En las
aguas residuales de una fábrica de celulosa, el
índice DQO/DBO en la primera fase se redujo de 8
a 3, y a la vez, el índice DQO de limpieza subió del
45% a más del 80%. En la industria textil, la fase de
ozono después de la planta de tratamiento se utiliza
para eliminar el color del agua. En el sector farmacéutico, el ozono se usa para la desinfección y
desactivación de organismos patogénicos.
Ozono para el tratamiento de aguas
en circuitos cerrados
Si por razones económicas o ecológicas se
reutiliza el agua, la contaminación orgánica de la
misma puede reducirse a través de procesos
biológicos. Un buen biocida es el ozono, ya que
no contribuye a la salinización e, incluso en dosis
muy bajas, inhibe la actividad biológica.
Ozono para el tratamiento de aguas de
refrigeración
Las ventajas del uso del ozono en circuitos de
agua de refrigeración son tan convincentes que
Messer ha decidido equipar todas sus plantas de
producción con este sistema. Incluso en cantidades bajas de 0,1 g por m3 de agua en circulación, el ozono ofrece:
• Reducción drástica de microorganismos y algas
• Evita la descamación en todos los componentes del sistema
• Aumenta el tiempo de eficiencia y servicio de
los intercambiadores de calor
• Ahorro en consumo de energía
• Reducción de los costes de mantenimiento
• Menor salinización en comparación con la
tecnología convencional: ahorro en agua
adicional
El ozono es por tanto un complemento valioso
para las técnicas de tratamiento existentes.
Además, es interesante comentar que, como los
gases exhaustos de las fases de ozono (cuando
se usa oxígeno puro) se enriquecen en general
con oxígeno, pueden ser reutilizados por ejemplo
en fases de tratamiento aeróbico o para enriquecer los procesos de incineración.
El ozono se usa para los siguientes procesos y
con los correspondientes efectos:
Industria química
• Sirve de agente oxidante en procesos químicos
• Manufactura de sustancias para la industria
farmacéutica y cosmética
Aguas residuales textiles
• Decoloración
• Evita el AOX en el agua
Agua de refrigeración
• Limpieza microbiológica de sistemas de agua
de refrigeración sin usar biocidas orgánicos o
componentes de cloro
• Reducción de la corrosión
• Evita el AOX del agua
Alimentación
• Desinfección de alimentos, almacenes, embalajes, máquinas de producción y agua de mar
para el cultivo de mejillones.
Resumen
En empresas industriales, el tratamiento de las
aguas residuales consiste muchas veces en una
combinación de diferentes procesos biológicos,
químicos y físicos. Con la tendencia a crear
circuitos cerrados de agua, la técnica aquí
descrita ha asumido un papel de importancia.
Messer no sólo proporciona los gases para ello,
sino que también ofrece paquetes completos de
servicios, que van desde el asesoramiento hasta
el diseño, equipos, instalación y puesta en
marcha.
Decoloración de celulosa
• El ozono sustituye al cloro en el proceso de
decoloración
• Mayor grado de blancura
• Evita el AOX (compuestos orgánicos
halogenados) en el agua residual
Industria papelera, textil e imprentas
• Decoloración del papel y fibras textiles
• Sirve de ayuda para el recubrimiento del papel
• Adhesión mejorada en la manufactura de
material de embalaje de bebida
Messer Ibérica de Gases, S.A.
Autovía Tarragona-Salou, km.3,8
E-43480 Vilaseca (Tarragona)
Tel. +34 977 309 500
Fax +34 977 309 501
[email protected]
www.messer.es