Tecnologías Emergentes & No Convencionales Santa Cruz, Bolivia Introducción sobre reuso de aguas tratadas Tecnologías de Aguas -parte I: Procesos de tratamiento y parámetros de diseño Tecnologías de Aguas- parte II: Eficiencias, ventajas y desventajas Casos de Estudio Recomendaciones © Denise Dourojeanni www.innovacionambiental.cl Santa Cruz, Bolivia 28 de Agosto de 2013 PROCESOS y PARÁMETROS DE DISEÑO Cecilia Vidal Línea de Gestión Hídrica Gerencia de Agua y Medio Ambiente Parámetros a remover Grupos de elementos y/o compuestos: •Cationes: Na+, Ca+2, K+, Mg+2, H+ •Aniones: Cl-, F-, Br•Gases inertes: He, Ne, Xe •Gases: O2, CO2 •Metales pesados: Cu, Zn, Ni, Pb, Hg, entre otros •Oxi-aniones: SO4-2, MoO42-, AsO4-2 , AsO3-2, PO4-3 Parámetros a remover ¿CUAL ES EL ORIGEN DE LOS COMPONENTES DISUELTOS EN AGUAS? COMPONENTES DISUELTOS TIPICOS: [Na+] + [K+] + 2[Ca++] + 2[Mg++] + [H+] + [Cl-] + 2[SO4=] + 2[CO3=] + [HCO3-] + [OH-] Especiación La Especiación de elementos y compuestos en aguas residuales depende de: •pH •potencial redóx •presencia de otros elementos y compuestos Parámetros a remover Tipos de Tecnologías de Tratamiento de aguas Presión Aplicada Agua Tratada Membrana Semipermeable Lodos Activados Procesos Intercambio Matriz hidrofóbica Dirección del fluido Coagulación y Floculación Técnicas de Membrana Oxidación avanzada Cadena con grupo funcional específico Contaminante removido Wetland Lombrifiltro Adsorción Filtros de microfibra Coalescencia Extracción por solvente Electrodiálisis Aireación; FAD Incineración catalítica Técnicas de desinfección Tren de Tratamiento de Aguas Servidas • Para eliminar sólidos • Ej. Desarenador, filtros, etc Tratamiento Secundario o biológico • Degradar materia orgánica • Lodos activados, lagunas de aireación, biofiltros, etc • Remoción de contaminantes específicos • Intercambio iónico, técnicas de membrana, tratamiento químico, desinfección, etc Tratamiento terciario o avanzado Tratamiento Primario o físico Tratamiento Pasivos Tratamiento Activos www.innovacionambient al.cl Tecnologías de Intercambio Iónico Tecnología basada en el uso de materiales de intercambio específicos capaces de separar y concentrar contaminantes presentes en aguas rurales, urbanas, de riego, de procesos y residuales. Remoción Directa: Amonio, Nitrato, Boro, índice de fenol, Arsénico, Color, Molibdeno, Bromo, Mercurio y otros cationes y aniones Matriz hidrofóbica Remoción Indirecta: Conductividad, Salinidad, entre otras Cadena con grupo funcional específico La selección del tipo de resina usar hace posible la remoción especifica de contaminantes Contaminante removido Zeolita- Mg (Catalizador) Zeolita - Mg + Carbón Activado Ceniza Coseta Jacinto de Agua Resinas de intercambio Tecnologías de Intercambio Iónico La tecnología se basa en un proceso de adsorción, en flujo continuo, en columnas con material de intercambio específico. El efluente a tratar es bombeado a través de la columna donde los contaminantes son retenidos, al saturarse la columna se inicia el proceso de regeneración. Además de acondicionar y tratar las aguas es posible recuperar valores metálicos. Concentración de La solución de Alimentación C0 C0 C0 C0 Zona de adsorción Zona de adsorción Ca Cb Cc Concentración de Soluto en el efluente Cd Cd Curva de inflexión Cc Ca Cb Punto de Quiebre Volumen del efluente Tecnologías de Intercambio Iónico CONDICIONES OPERATIVAS Tipo de Operación: Selectividad: Cíclica Altamente Selectiva Pre Tratamiento Filtración previa Consumo de Reactivos Uso Constante PARAMETROS DE OPERACIÓN Temperatura Ambiente: 2 – 40°C* Caudal de Operación 20000 m3/día Vidal Útil Resina 7años aprox.** Tipo de Tratamiento Activo Pre-tratamiento CC CA FINAL Tecnologías de Intercambio Iónico Las principales aplicaciones de la tecnología y parámetros removidos en cada caso son las siguientes: •Agroindustria. Amonio, Boro, magnesio, calcio, carbonato y otros •Potabilizadoras. Boro y Arsénico •Acuicultura: Remoción de amonio •Depuración de agua: Boro y arsénico •Recuperación de valores metálicos: cobre, oro, plata, entre otros •Minería. Estabilización de lodos arsenicales en fundiciones, metales pesados, molibdeno y arsénico La empresa Mekorot Israel Nacional Water Co. Posee una planta con resina para Boro en la ciudad de Eilat Tecnologías de Adsorción: Carbón Activado Tecnología No Convencional de tipo Físicoquímico. El carbón activado tiene una textura similar a la de pequeños gránulos de arena negra. La función del filtro de carbón activado es la de remover contaminantes del agua por medio de adsorción, mediante este proceso, las materias que hay que filtrar se adhieren a la superficie de los gránulos del carbón activado. Este material adsorbente es muy eficiente ya que su gran porosidad hace aumentar la superficie en contacto con el agua. Remoción Directa: Materia orgánica (DBO5), Sólidos Suspendidos Totales, (SST), Sólidos Sedimentables, compuestos orgánicos como hidrocarburos, Índice de Fenol, pesticidas, Trihalometanos, AOX, color, sabor, olor, agente espumógeno, aceites y grasas y compuestos inorgánicos como: cloro libre y bromo. Remoción Indirecta: Pueden remover arsénico, metales pesados como Mercurio y eliminar agentes patógenos. Tecnologías de Adsorción: Carbón Activado La aplicación de esta tecnología se realiza en lechos empacados, tipo columnas, cargados con gránulos del material adsorbente (carbón activado) y se bombea, a través del filtro empacado, el efluente a tratar. A medida que el agua fluye a través de la columna, los químicos se adsorben a la superficie porosa de los gránulos. Cuando la superficie disponible del carbón activado se llena de químicos, se dice que el carbón está gastado. Este carbón gastado debe reemplazarse o limpiarse para permitir que el filtro se reutilice. La limpieza del carbón gastado comprende el calentamiento del carbón y el bombeo de aire limpio a través del mismo. El calor suelta los químicos del carbón, y el aire los expulsa de la columna. Tecnologías de Adsorción: Carbón Activado CONDICIONES OPERATIVAS Tipo de Operación: Selectividad: Pre Tratamiento PARAMETROS DE OPERACIÓN Cíclica Temperatura Ambiente: 2 – 40°C* Caudal de Operación 20000 m3/día Vidal Útil Carbón Activado 5 años** No es Selectiva Filtración previa Consumo de Reactivos No usa •(*) La temperatura mínima debe ser superior al punto de congelamiento del efluente a tratar y la máxima promedio 40°C. Además existen resinas capaces de resistir hasta 120°C. (**)Vida útil puede ser 5 años considerando procesos de lavado. Tecnologías de Adsorción: Carbón Activado Las principales aplicaciones de la tecnología son las siguientes: •Tratamiento terciario de aguas residuales y tratamiento de aguas servidas •Tratamiento de agua en procesos industriales, como por ejemplo en la industria química, industria alimentaria y farmacéutica •Potabilización de aguas •Tratamiento de emisiones atmosféricas •Purificación de aire y gases Planta potabilizadora de Annet-Sur-Marne Tecnologías de Membrana – Osmosis inversa Descripción La osmosis inversa es el fenómeno reversible de osmosis natural o directa que hoy constituye el nivel más fino de filtración existente, capaz de rechazar contaminantes tan pequeños, como 0.0001 mm, a través de una membrana semipermeable por un proceso de difusión controlada. Remoción Directa: sales como fosfato, nitrato, sulfato y iones metálicos, bromo, mercurio, durezas, patógenos, turbidez, DBO5, compuestos orgánicos, índice de fenol, AOX, THM, color, pesticidas y la mayoría de los contaminantes del agua potable conocidos. Remoción Indirecta: Aceites y Grasas, SST, Sólidos Sedimentables, y poder Espumógeno.(*) (*) No se recomienda el uso de esta técnica como tratamiento primario. Presión Aplicada Agua Tratada Membrana Semipermeable Dirección del fluido Tecnologías de Membrana Tecnologías de Membrana CONDICIONES OPERATIVAS PARAMETROS DE OPERACIÓN Tipo de Operación: Continua Temperatura Ambiente: 2 – 45°C* Selectividad: No es selectivo Caudal de Operación Sobre 200 L/s** Pre Tratamiento Filtración previa Vidal Útil Membranas 2 años aprox.*** Tipo de Tratamiento Membrana Consumo de Reactivos No requiere •(*)La temperatura no es un problema para esta tecnología, es posible tratar efluentes hasta con 45°C de máxima y de mínima debe estar sobre el punto de congelamiento. •(**) El caudal máximo de operación no tiene limitaciones ya que éste es definido en el diseño. (***)Vida útil referida al cambio de membranas. La vida útil de la planta en general puede ser de 20 años considerando mantenciones adecuadas Tecnologías de Membrana •Generación de aguas ultrapuras para procesos industriales •Desalinización de agua de mar •Desalinización de agua salobre •Tratamiento de aguas reusadas para generación de aguas con baja salinidad para aplicaciones industriales •Tratamiento terciario de efluentes con sales, químicos, DBO5 y bacterias 1.- Planta Desaladora de agua de mar en Ashkelon, Israel. Con una capacidad de tratamiento de 100 millones de m3/año 2.- Planta de tratamiento de aguas en eMalahleni, Sudáfrica. Con una capacidad de tratamiento de 24.000 m3/día (~9 millones de m3/año) Tecnologías de Coagulación y Floculación Descripción Es una tecnología para acondicionamiento y tratamiento de efluentes industriales. Se complementa con otras tecnologías terciarias de tratamiento. Opera en flujo continuo y es aplicable preferentemente a efluentes que posean concentraciones altas de contaminantes. Esta tecnología es muy versátil dependiendo del coagulante y/o floculante a utilizar. Remoción Directa: Sólidos Suspendidos Totales (SST), DBO5, DQO, Nitrógeno, Fósforo (P), turbidez, Sólidos Sedimentables, cationes y aniones en general. Remoción Indirecta: color, AOX, Poder Espumógeno, Aceites & Grasas y regular pH. Además es posible remover Mercurio* Tecnologías de Coagulación y Floculación Coagulación es el proceso de desestabilización química de las partículas, en el que la adición de un coagulante es capaz de neutralizar la carga eléctrica del coloide para que forme un aglomerado de partículas. Floculación es el proceso de aglomeración de las partículas desestabilizadas en partículas de mayor tamaño (flóculos o flocs) que pueden sedimentar. Efluente Inicial Efluente final Tecnologías de Coagulación y Floculación CONDICIONES OPERATIVAS Tipo de Operación: Continua Selectividad: No es selectivo Pre Tratamiento Consumo de Reactivos No requiere Requiere coagulantes y floculantes PARAMETROS DE OPERACIÓN Temperatura Ambiente: 2 – 100°C* Caudal de Operación No tiene limitaciones** Vidal Útil 20 años*** Tipo de Tratamiento Fisicoquímico •(*) Con respecto a la temperatura de operación, sólo es requerido que el efluente esté en estado líquido, sobre el punto de congelamiento y bajo el p8unto de ebullición •(**) El caudal máximo de operación no tiene limitaciones ya que éste es definido en el diseño y determinado por los costos en reactivos. •(***)Vida útil referida a los equipos y motores con un adecuado manejo de mantención Tecnologías de Coagulación y Floculación Las principales aplicaciones de la tecnología y parámetros removidos en cada caso son las siguientes: •Agroindustria •Potabilizadoras •Tratamiento de Aguas Servidas •Celulosa y papel •Procesamiento de madera •Purines de cerdo, entre otros Planta de tratamiento fisicoquímico de Viña san Pedro, Planta Molina. Capacidad de tratamiento 900 (m3/día). Procesos de Oxidación Avanzada, POAs Descripción Los Procesos de Oxidación Avanzada involucran la generación “in situ” de radicales hidroxilos (OH●), fuerte oxidante, capaz de degradar y remover los contaminantes presentes en los RILES transformándolos en sustancias que son inocuas para el medio ambiente como OH el CO2. OH OH OH CO2 Remoción Directa: Índice de Fenol, color, Compuestos Orgánicos Halogenados (AOX), compuestos orgánicos persistentes, DBO5 y precursores de Trihalometanos (THM). CO2 OH OH OH CO2 CO2 CO2 OH Generación de sustancias inocuas Procesos de Oxidación Avanzada, POAs Las Tecnologías de Oxidación Avanzada que involucran uso de agentes oxidantes como: ozono (O3), ozono/peróxido de hidrógeno (O3/H2O2), ozono/catalizador (O3/catalizador), ultravioleta (UV), ultravioleta/ozono (UV/O3), ultravioleta/peróxido de hidrógeno (UV/H2O2), ozono /ultravioleta/peróxido de hidrógeno (O3/UV/H2O2), Hierro/peróxido de hidrógeno (Fe2+/H2O2) y fotocatálisis, se basan en procesos físico-químicos noconvencionales diseñadas para la remoción específica de compuestos orgánicos persistentes que son resistentes a tratamientos convencionales químicos o biológicos. Estos procesos oxidativos de fase líquida Aplicaciones de esta tecnología: •Agropecuario: Vitivinícola, olivícola, •lecherías, industria de alimentos •Minería: Aguas Ácidas de Fundiciones •Forestal: Celulosa y Papel •Manufactura: Textiles Procesos de Oxidación Avanzada, POAs CONDICIONES OPERATIVAS Tipo de Operación: Continua con un TR entre 2 - 10 min PARAMETROS DE OPERACIÓN Temperatura Ambiente Caudales de trabajo Entre 1 y 5000 m3/día pH entrada 2-9 Selectividad: Baja Pre Tratamiento No requiere Consumo de Reactivos Constante Vidal Útil 15 – 20 años Consumo de Energía Si Tipo de Tratamiento Químico Tecnologías de Flotación por Aire Disuelto -DAF Descripción La tecnología se basa en utilizar microburbujas generadas a partir de una solución saturada de agua-aire, a presión liberada, en una celda donde se encuentra el agua a tratar. Este proceso permite generar una capa flotante en suspensión que logra la separación sólido líquido. Remoción Directa: Sólidos Suspendidos Totales, Aceites y Grasas, sólidos Sedimentables. Remoción Indirecta: Regulación de Temperatura, DBO5 La flotación es un proceso en el cual se introduce microburbujas de aire en un estanque con agua residual o lodo. Al ascender las microburbujas, las partículas presentes en el líquido se adhieren a éstas, separándose y formando una capa flotante de material concentrado. Con ello se consigue una efectiva remoción de Sólidos Suspendidos, Aceites & Grasas, y materia orgánica particulada (DBO5). Tecnologías de Flotación por Aire Disuelto -DAF Las principales aplicaciones de la tecnología son: •Aguas residuales urbanas •Aguas residuales industriales (papeleras, petroquímica, química, láctea, mataderos, alimenticia, textil, metalúrgica) •Potabilización de aguas •Flujos de proceso •Todas las plantas potabilizadoras de aguas en los países bajos usan DAF en su proceso primario en sustitución a la coagulación/sedimentación. •Esta tecnología es además usada frecuentemente por la minera del cobre en su proceso de flotación de sulfuros de cobre y molibdeno. Tecnologías de Flotación por Aire Disuelto -DAF CONDICIONES OPERATIVAS Tipo de Operación: Continuo Selectividad: No es selectivo Pre Tratamiento Consumo de Reactivos Filtrado preliminar Requiere Aire a presión PARAMETROS DE OPERACIÓN Temperatura Ambiente : 15 – 40°C* Caudal de Operación No tiene limitaciones** Vidal Útil 20 años*** Tipo de Tratamiento Fisicoquímico •(*)Temperatura de operación ideal para el mejor desempeño de la tecnología es que no supere los 40°C ya que la temperatura afecta la solubilidad del aire en agua. •(**) El caudal máximo de operación no tiene limitaciones ya que éste es definido en el diseño. •(***)Vida útil referida a los equipos y motores con un adecuado manejo de mantención Coalescencia: Separadores de Grasas y Aceites Descripción La Coalescencia es una técnica de separación en la que el flujo de agua viaja a través de las fibras coalescedoras llevándose consigo los aceites en forma de pequeñas gotas hasta que estas quedan interceptadas en la fibra. En este punto el aceite desplaza al agua y la gota se rompe. A medida que las gotas de aceite se acumulan en la fibra, se juntan y crecen en tamaño, la gravedad les obliga a separarse de la fibra y flotar hacia arriba, dando como resultado un agua libre de aceites. Remoción Directa: Aceites y Grasas e Hidrocarburos Remoción Indirecta: Sólidos Suspendidos totales y Sedimentables, Color, entre otros Coalescencia: Separadores de Grasas y Aceites Un coalescedor es un contenedor que acelera la unión o la cohesión de dos o más partículas dispersas para formar partículas más grandes. Los coalescedores más comunes pasan las fases a través de algún tipo de cama sólida, red o manta de fibra, cedazos metálicos o membranas. Estos equipos ofrecen una gran superficie de interfase, que permiten un tiempo de residencia necesario para que se produzcan los fenómenos de coalescencia y de separación para una variada gama de aplicaciones. Coalescencia: Separadores de Grasas y Aceites La tecnología es aplicable a empresas pertenecen, en su mayor parte, a los siguientes rubros: Productores y distribuidores de combustibles y aceites, talleres mecánicos, estaciones de servicio y centro de lavado de automóviles, empresas de transportes, empresas de arriendos de vehículos, transporte, puertos marítimos, salas de máquinas de industrias varias, restaurantes, entre otros. Sistema de filtración de aguas residuales a través de un medio coalescente para retención de Aceites y Grasas empresa Aquamex, S.A. de C.V. Coalescencia: Separadores de Grasas y Aceites CONDICIONES OPERATIVAS PARAMETROS DE OPERACIÓN Tipo de Operación: Bach y continua Temperatura Selectividad: AyG e Hidrocarburos Caudal de Operación 1 a 50 L/S(**) Pre Tratamiento No requiere Vidal Útil Sobre 20 años Tipo de Tratamiento Físico Consumo de Reactivos No (*)La temperatura no es un problema para esta tecnología, es posible tratar efluentes hasta con 45°C de máxima y de mínima debe estar sobre el punto de congelamiento. (**) si se requieren mayores caudales de tratamiento se debe adicionar otr unidad. 2 a 45ªC (*) Extracción por Solvente Descripción La extracción con solventes es una técnica de tratamiento que consiste en usar un solvente para separar o extraer elementos o compuestos desde efluente industriales, sedimentos o tierra. No destruye los contaminantes, sino que los concentra para que sea más fácil reciclarlos o destruirlos con otra técnica. Remoción Directa: Compuestos orgánicos como bifenilos policlorados, índice de fenol, Compuestos Orgánicos Volátiles (COV), THM e Hidrocarburos. Extracción por Solvente La tecnología permite la separación en distintas fases, los parámetros definidos se concentran en las diferentes fracciones. Cada fracción, individualmente, puede ser tratada o eliminada en una forma más eficaz en función del costo. La extracción por solventes (SX), es uno de los procesos más efectivos y económicos para purificar, concentrar y separar los metales valiosos que se encuentran en las soluciones enriquecidas, provenientes de procesos de lixiviación. Se utiliza además para limpiar numerosos químicos que resulten difíciles de extraer en el suelo Su principal aplicación es en la producción de cobre, específicamente en la separación selectiva de metales y en la recuperación de uranio, vanadio, molibdeno, zirconio, tungsteno, renio, elementos de tierras raras, metales preciosos, cadmio, germanio, berilio y boro, entre otros. 1.Planta de extracción por solventes (SX) Minera Gaby, CODELCO. Con una capacidad de 150.000 toneladas de producción equivalente un flujo de hasta 3.500 m3/h. Electrodiálisis Descripción Los procesos de separación basados en la electrodiálisis utilizan membranas donde se han incorporado grupos con cargas eléctricas, con el fin restringir el paso de los iones presentes en una solución acuosa. En estos procesos la “fuerza impulsora” responsable del flujo de los iones, a través de la membrana, es una diferencia de potencial eléctrico. Un equipo de electrodiálisis está formado por un conjunto de membranas aniónicas y cationes, dispuestas en forma alterna y separadas por espaciadores o placas, en una configuración semejante a los filtros prensa (configuración de placas y bastidores). Los espaciadores provocan turbulencias que evitan las deposiciones de materiales en la superficie de las membranas y homogeneizan la concentración. Remoción Directa: Sólo remueve especies cargadas eléctricamente, como sales minerales, nitrato, fosfato, sulfato, entre otras Electrodiálisis Aplicaciones: . •Desalinización de aguas salobres y la producción de salmueras •Tratamiento de la dureza del agua, el desalado del suero de quesos, recuperación de ácido tánico de los vinos y recuperación de ácido cítrico de los jugos de frutas. •En aguas industriales se emplea en la recuperación de ácidos de los baños electrolíticos y en la eliminación de metales pesados de las aguas de los procesos galvanoplástia. •Muy usado en aplicaciones médicas y de laboratorio que necesitan agua ultrapurificada 1.- Ampliación y mejora de la Planta Llobregat. Debido a problemas de salinidad se construye una desalinizadora que, mediante un proceso de electrodiálisis reversible (EDR), consigue mejorar las características químicas y organolépticas (sabor, olor) del agua. Electrodiálisis CONDICIONES OPERATIVAS PARAMETROS DE OPERACIÓN Tipo de Operación: Continua Temperatura Todo rango Selectividad: No es selectivo Caudal de Operación Sin límite Pre Tratamiento Filtración previa Vidal Útil Membranas 10 años Tipo de Tratamiento Fisicoquímico Consumo de Reactivos No requiere Filtros de Microfibra Descripción La filtración es una técnica, proceso tecnológico u operación unitaria de separación, por la cual se hace pasar una mezcla de sólidos y líquidos, a través de un medio poroso o medio filtrante que puede formar parte de un dispositivo denominado filtro, donde se retiene de la mayor parte de él o de los componentes sólidos de la mezcla. Remoción Directa: Sólidos Suspendidos totales (SST), Color verdadero y Sólidos Disueltos y sedimentables Remoción Indirecta: Agentes patógenos como los quistes de Giardia y el Cryptosporidium Filtros de Microfibra La tecnología de los equipos de filtración se puede dividir en dos grandes categorías dependiendo del mecanismo de filtración utilizado y el grado de filtración que se requiere. Los filtros están diseñados para trabajar en un rango de filtración que contempla los 3500 micrones [µ] hasta una filtración más fina de 2 micrones [µ]. Dentro de este rango se pueden clasificar dos tipos de equipos: auto-limpiantes y los de filtración de profundidad. Para realizar una remoción de sólidos y bajar turbidez con mayor eficiencia, estos equipos pueden trabajar con ayudantes químicos como coagulantes (sulfato férrico, sulfato de aluminio, cloruro férrico, etc), remplazándose en muchos casos un sedimentador. Papelera Abekawa, Japón. Las principales aplicaciones de la tecnología: Agroindustria. Potabilizadoras. Tratamiento de terciario de Aguas Servidas para reutilización Celulosa y papel Procesamiento de madera Filtros de Microfibra CONDICIONES OPERATIVAS Tipo de Operación: Selectividad: PARAMETROS DE OPERACIÓN Continuo Temperatura 70ªC (**) Caudal de Operación Hasta 320 m3/h (***) Vidal Útil Sobre 20 años No Pre Tratamiento Pre filtración (*) Consumo de Reactivos No (*) La pre-filtración es necesaria cuando la fase líquida contiene sólidos de gran tamaño. (**) Si el hidrocarburo esta congelado el equipo posee un sistema térmico para elevar la temperatura hasta que el efluente esté en fase líquida. (***) Se requiere que el efluente este en fase liquida Figura 1: Planta de desalinización, Chipre. Figura 2: Papelera, Alemania