DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA DEL SECTOR AUTOMÓVIL Master en Ingeniería y Gestión del Agua Promoción 2012 -2013 AUTORES: Clara Agustín Ingelmo Laura Ferrer Fernández Blanca Sabadell López De Arbina TUTOR: Juan Antonio Sainz Sastre Esta publicación está bajo licencia Creative Commons Reconocimiento, Nocomercial, Compartirigual, (bync-sa). Usted puede usar, copiar y difundir este documento o parte del mismo siempre y cuando se mencione su origen, no se use de forma comercial y no se modifique su licencia. Más información: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ 2 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Índice 1. Antecedentes .............................................................. 3 2. Bases de diseño ........................................................... 4 2.1. Datos de partida .......................................................... 4 2.2. Límite del vertido ......................................................... 5 2.2.1. Importancia medioambiental de metales pesados en el medio.….6 2.2.2. Importancia medioambiental de los fosfatos en el medio………….6 3. Proceso propuesto ........................................................ 6 3.1. Pretratamiento ............................................................ 6 3.1.1. Línea de aguas de desengrasado y fosfatación .............. 7 3.1.2. Línea de aguas crómicas ........................................... 8 3.1.3. Línea de aguas de cataforesis ..................................... 9 3.2. Tratamiento conjunto - primera etapa .............................. 10 3.3. Tratamiento conjunto - segunda etapa .............................. 12 3.4. Línea de fangos .......................................................... 14 4. Resultados obtenidos .................................................... 15 4.1. Resumen del diseño de los equipos .................................. 15 4.1.1. Pretratamiento ................................................... 15 4.1.2. Tratamiento conjunto - primera etapa .......................... 17 4.1.3. Tratamiento conjunto - segunda etapa ....................... 17 4.1.4. Línea de fangos ................................................... 18 4.2. Dosificación de reactivos .............................................. 19 4.3. Sistema de bombeo ..................................................... 19 5. Instrumentación y control .............................................. 20 6. Calidad del vertido final ................................................ 21 7. Estimación de costes ..................................................... 21 8. Bibliografía................................................................. 21 ...................................................................................... EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 3 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Objetivo del proyecto Una empresa automovilística ha decidido construir una nueva fábrica de coches en la comunidad autónoma de Cantabria, concretamente en la Bahía de Santander debido a la situación estratégica de su puerto. Las aguas residuales generadas en este tipo de procesos industriales contienen elevadas concentraciones de metales pesados que no pueden ser vertidas al colector municipal. Por ello la empresa se ha visto obligada a construir una planta de tratamiento de dichas aguas. El objetivo del presente proyecto consiste en el diseño del proceso de tratamiento de las aguas residuales generadas por esta industria automovilística. La planta que se diseña es una planta depuradora de aguas residuales industriales (EDARi). 1. Antecedentes Las industrias automovilísticas se encargan del diseño, desarrollo, fabricación, ensamblaje y comercialización de automóviles. Durante el proceso de producción se generan distintos tipos de aguas residuales. Estas aguas van a constituir la alimentación a la EDARi objeto de diseño. Estas aguas tienen diferentes orígenes y pueden ser clasificadas en tres grandes bloques: Aguas de desengrasado y fosfatación Estas aguas proceden del proceso de acondicionamiento de la carrocería del vehículo. La chapa llega a la planta impregnada en grasas para su correcta conservación. Para comenzar el proceso de producción es necesario lavarla, generándose las aguas de desengrasado. Con el fin de proteger la chapa de la humedad y corrosión, en una primera etapa, es necesario sumergirla en un baño de ácido fosfórico, creándose una microcapa cristalina de fosfato. Las aguas de fosfatación proceden del lavado de la chapa una vez se le ha dado este baño protector. Aguas de crómicas Para conseguir una mejora en la adherencia y una mayor protección frente a la corrosión, se realiza un tratamiento de pasivado. En este proceso se emplea cromo hexavalente para rellenar los poros de la capa microcristalina que se ha formado en la fosfatación. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 4 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Aguas de cataforesis Durante el proceso de cataforesis se completa la protección anticorrosiva de la carrocería. Para ello se emplea una pintura cataforética y corriente eléctrica. Las aguas de cataforesis proceden del lavado de la carrocería, necesario para eliminar los contaminantes (mayoritariamente plomo, níquel y cadmio) y los posibles restos del producto sobrante. 2. Bases de diseño Se espera que la EDARi trabaje durante 16 horas al día y 5 días a la semana. No obstante, en caso de que existan momentos punta de producción o si en un futuro es necesario ampliar un tercer turno de trabajo al día, la planta está preparada para absorber dichas variaciones debido a la presencia de los tanques de homogeneización-regulación situados en cabecera de planta, que se explicarán con posterioridad. 2.1. Datos de partida Los valores de diseño máximos y mínimos con los que se ha realizado el presente proyecto corresponden a valores medios recogidos de los datos de empresas líderes en el sector del automóvil Los datos de partida, a partir de los cuales se ha diseñado la planta, quedan recogidos en las siguientes tablas: Datos de partida de las aguas de desengrasado y fosfatación: Tabla 1: Datos las aguas de desengrasado y fosfatación AGUAS DE DESENGRASADO Y FOSFATACIÖN Medio Máximo Caudal 25 30 pH 4 8 SS 1500 2500 ppm DBO 300 500 ppm DQO 1000 2500 ppm PO43- 100 150 ppm EOI Escuela de Organización Industrial m3/h http://www.eoi.es 5 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Datos de partida de las aguas crómicas: Tabla 2: Datos de partida de aguas crómicas AGUAS CRÓMICAS Medio Máximo Caudal 40 60 pH 3,5 5 SS 100 200 ppm DBO 300 500 ppm DQO 900 1400 ppm 50 120 ppm Cr 6+ m3/h Datos de partida de las aguas de cataforesis: Tabla 3: Datos de partida de aguas de cataforesis AGUAS DE CATAFORESIS Medio Máximo Caudal 35 45 pH 8 8 SS 160 320 ppm DBO 200 300 ppm DQO 400 600 ppm Pb2+ 25 60 ppm Ni2+ 8 12 ppm 2+ 8 10 ppm Cd EOI Escuela de Organización Industrial m3/h http://www.eoi.es 6 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 2.2. Límite del vertido La ordenanza municipal sobre vertidos líquidos industriales al Sistema Integral de Saneamiento, establece unos valores máximos instantáneos de los parámetros de contaminación. Esta normativa prohíbe la dilución para conseguir niveles de concentración que posibiliten su evacuación al Sistema Integral de Saneamiento. La siguiente tabla recoge dichos valores límite, en base a los cuales se ha diseñado la planta: Tabla 4: Valores límite de los parámetros de contaminación según la legislación vigente PARÁMETRO VALOR UNIDADES Temperatura 40 ºC pH 6-10 DBO5 1000 ppm DQO 1750 ppm Sólidos suspensión 750 ppm Conductividad 6000 µS/cm2 Metales pesados * 0,5 ppm Fósforo total ** 40 ppm * Este valor ha sido fijado por el municipio con el fin de que los fangos generados en la Estación Depuradora de Aguas Residuales Urbanas (EDARu) siguieran siendo útiles para emplear en agricultura. La industria automovilística ha aceptado la condición. ** Este valor ha sido fijado por el municipio con el fin de que la EDARu no se viera obligada a ampliar la zona de eliminación de fosfatos existente en la planta. 2.2.1 Importancia medioambiental de la presencia de metales pesados en el medio Como se ha descrito anteriormente, las aguas residuales generadas en la fabricación de coches poseen metales pesados disueltos en su composición. Este hecho hace que, la industria automovilística se vea completamente obligada a tratar sus aguas antes de su vertido al medio acuático o a colector municipal, como es el caso. En este apartado se pretende dar una visión general de los problemas medioambientales que generan este tipo de contaminantes para comprender la importancia de su tratamiento. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 7 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Derivado de la actividad de esta industria, existe cromo, níquel, cadmio y plomo. Todos ellos son contaminantes conservativos, no degradables por la actividad biológica. Sin embargo, dentro de los metales distinguimos: Esenciales: son aquellos que desempeñan una función metabólica vital pero que son tóxicos a partir de una concentración relativamente alta. Dentro de este grupo se encuentra el cromo y el níquel. No esenciales: Son aquellos que carecen de función metabólica y son considerados tóxicos a concentraciones más bajas que la de los metales esenciales. Dentro de este grupo se encuentra el plomo y el cadmio. Los metales pesados ejercen un efecto perjudicial sobre los procesos biológicos, ya que actúan sobre las enzimas catalizadoras de la síntesis de proteínas responsables del metabolismo. Todos ellos tienen unos niveles óptimos de concentración, por encima de los cuales resultan tóxicos. De forma general se puede afirmar que, los microrganismos sólo pueden tolerar concentraciones de estos compuestos del orden de algunos miligramos por litro. La importancia toxicológica más importante deriva del hecho de que los metales pesados se van a bioacumular y a biomagnificar a lo largo de la cadena trófica. Es decir, estas sustancias químicas se van a ir acumulando en los organismos vivos de forma que la concentración es más elevada en la biota que en el propio medio. Las sustancias bioacumulables van alcanzando concentraciones crecientes a medida que se avanza en el nivel trófico de la cadena alimenticia, dando lugar al proceso de biomagnificación de los contaminantes. Además, otra característica importante de estos compuestos es que son persistentes, es decir, no pueden ser destruidos por procesos ambientales. Debido al proceso de bioacumulación descrito, se deduce que es fundamental eliminar los metales pesados presentes en el agua residual antes de su llegada a la estación depuradora de aguas residuales urbanas. Si el tratamiento de eliminación del cromo hexavalente y del resto de metales pesados no tuviera lugar antes de la llegada de estas aguas a la depuradora urbana, los problemas ecológicos serían muy importantes. Por una parte, los contaminantes llegarían al cauce receptor con el agua residual ya que no han sido tratados. Además, se produciría la bioacumulación de sustancias tóxicas en la biomasa del proceso biológico. Como resultado de esto, una parte de los metales pesados sería fijada por los fangos generados en los procesos biológicos y por lo tanto, no se podrían reutilizar en agricultura siendo clasificados como residuos peligrosos. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 8 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 2.2.2 Importancia medioambiental de la presencia de fosfatos en el medio El fósforo es un elemento esencial para la vida, ya que forman parte de la estructura química de las proteínas, siendo necesaria su presencia para que se puedan llevar a cabo los distintos procesos bioquímicos. Sin embargo, los fosfatos se convierten en problema ambiental importante si el vertido se produce a una zona sensible ya que se va a producir la eutrofización del cauce receptor. Este fenómeno consiste en una proliferación masiva de fitoplancton debido a la existencia de una elevada concentración de nutrientes (nitrógeno y fósforo). Asociado a esto, existe una disminución del oxígeno disuelto en el agua debido al gran consumo de este elemento por parte de las algas muertas depositadas en el fondo. Además, debido al crecimiento desmesurado de algas se produce una disminución de la energía solar disponible en el medio, empeorando la calidad de las aguas. Debido a ello, es necesaria la eliminación del fósforo del agua residual antes de su vertido a un cauce receptor. En esta EDARi se va a proceder a la eliminación del fósforo por vía química, proceso que se detallará a lo largo del presente proyecto. La condición impuesta por el Ayuntamiento a la empresa automovilística consiste en una limitación del fósforo total en el vertido final. Esta obligación se estableció con el fin de que la EDARu correspondiente no tuviera que aumentar la zona de eliminación de fosfatos por vía biológica existente. 3. Proceso propuesto Para una mayor comprensión del proceso, se ha dividido el mismo en las siguientes partes: Pretratamiento o Línea de aguas de desengrasado y fosfatación o Línea de aguas crómicas o Línea de aguas de cataforesis Tratamiento conjunto – primera etapa: precipitación, coagulación-floculación y decantación Tratamiento conjunto – segunda etapa: precipitación, coagulación-floculación y decantación Línea de fangos EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 9 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell A continuación, se procede a una descripción detallada de cada una de las diferentes partes. 3.1. Pretratamiento Como se ha explicado anteriormente, existen en las aguas distintos metales pesados en disolución, cada uno de ellos derivado de un proceso determinado. Debido a esto, es completamente necesaria la segregación de las corrientes contaminadas y su tratamiento independiente hasta que llegue un punto en el cual las condiciones de los diferentes procesos son idénticas y es posible realizar un tratamiento conjunto. Como se puede observar en las tablas de los datos de partida (Tablas 1, 2 y 3), existen valores punta que llegan a la planta en momentos puntuales y que son necesarios amortiguar, ya que la planta se ha diseñado de acuerdo con los valores medios de dichos parámetros. Cada corriente de agua llega a través de su colector correspondiente a los tanques de almacenamiento situados en cabecera de planta. Dichos tanques permanecen agitados mediante un sistema de aireación compuesto de difusores cerámicos. Estos tanques se han diseñado con un tiempo de retención de 24 horas, para garantizar dos objetivos fundamentales: Para garantizar la regulación del caudal y la homogeneización de la composición. Para asegurar que en caso de que exista alguna avería en la planta, ésta pueda ser solucionada en 24 horas y no existan problemas de vertidos de aguas con metales pesados al colector municipal. La homogeneización de la composición y la regulación del caudal del influente de esta EDARi son procesos completamente necesarios, ya que para garantizar que la alimentación a la planta sea lo más homogénea posible es necesario laminar los picos y valles de contaminación y caudal que llegan a la instalación. A partir de este momento, a estos tanques se les denominará tanques de homogeneizaciónregulación. A continuación se muestra el diagrama de flujo del proceso: EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 10 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Figura 1: Diagrama de flujo del proceso con los tanques de dosificación de reactivos. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 11 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 3.1.1 Línea de aguas de desengrasado y fosfatación A continuación se muestra el diagrama de flujo correspondiente a la línea de aguas de desengrasado y fosfatación de una manera detallada. Figura 2: Línea de aguas de desengrasado y fosfatación con su correspondiente tanque de homogeneización-regulación Estas aguas no requieren un tratamiento previo, por ello se derivan directamente del tanque de homogeneización y regulación al tanque de precipitación conjunta. 3.1.2 Línea de aguas crómicas El diagrama de flujo correspondiente a la línea de aguas crómicas se detalla en la siguiente figura: Figura 3: Línea de aguas crómicas con su correspondiente tanque de homogeneización-regulación. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 12 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Se observa como del tanque de homogeneización-regulación se deriva al reactor redox, siguiéndose el proceso que se detalla a continuación: Cromo (IV) El cromo llega a la planta como cromo hexavalente, su presencia es típica en aguas procedentes de industrias de tratamiento de superficies, como es el caso de esta industria automovilística. Este contaminante posee una gran toxicidad, concretamente es 100 veces más tóxico que el cromo trivalente. Para su eliminación, el primer paso consiste en un proceso de reducción, en el cual el cromo hexavalente es reducido a cromo trivalente. El Potencial de oxidación-reducción viene definido por la ecuación de Nernst: Donde: E: Potencial de oxidación-reducción, mV E0: Potencial normal, que depende del sistema de referencia y que es el valor del potencial cuando [Ox] = [Red], mV [Ox] y [Red]: Actividades de las formas oxidada y reducida respectivamente b: Valencia Este proceso tiene lugar en el reactor redox, situado a continuación del tanque de homogeneización-regulación de las aguas crómicas. Este reactor se mantendrá agitado mecánicamente con el fin de que la distribución de los reactivos químicos sea homogénea . Para que la reacción de Cr+6 a Cr+3 tenga lugar se dosifica Bisulfito sódico, NaHSO3. Las reacciones redox que ocurren son las siguientes: Hidrólisis del Na2S2O5 utilizado como reactivo: Na2S2O5 + H2O 2 NaHSO3 Reducción del cromo hexavalente: 2 H2CrO4 + NaHSO3 + 3H2SO4 Cr2 (SO4)3 + 3 NaHSO4 + 5H2O EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 13 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell El bisulfito sódico es inestable, se descompone dando lugar a dióxido de azufre gaseoso, SO2, lo que genera atmósferas explosivas. Por este motivo es necesario que el bisulfito se prepare cada 24 horas. En lugar de haber empleado bisulfito sódico se pudo dosificado sulfato ferroso. Siguiendo las siguientes reacciones químicas: Reacción del anión cromato con sulfato ferroso heptahidratado: 2 H2CrO4 + 6 FeSO4 ∙ 7 H2O + 6 H2SO4 Cr2 (SO4)3 + 3 Fe2 (SO4)3 + 15 H2O Neutralización con cal: una vez reducido el Cr +6 a Cr+3 en forma de Cr2 (SO4)3, es necesario precipitar la sal a hidróxido para eliminar todo el cromo en la decantación. Cr2 (SO4)3 + Ca (OH)2 2 Cr (OH)3 ↓ + 3 CaSO4 Fe2 (SO4)3 + Ca (OH)2 2 Fe (OH)3 ↓ + 3 CaSO4 Como se observa de las reacciones anteriores, la sal ferrosa presenta el principal inconveniente de que provoca la precipitación del hidróxido férrico, por lo que la generación de lodos sería mayor, factor importante en el diseño de esta planta puesto que los lodos van a ser clasificados como peligrosos, con el gasto económico que esto conlleva. De manera que, se ha decidido emplear bisulfito sódico para llevar a cabo la reacción redox ya que: su disociación genera protones que ayudarán a bajar el pH, la reacción se ve favorecida y lo que es muy importante, se generan menos volumen de fangos. En pH óptimo de la reacción de reducción del cromo hexavalente es 2,5, por ello es necesaria la dosificación de H2SO4, ya que estas aguas se encuentran a pH entre 5 y 3,5. Es necesario tener en cuenta que la cantidad de sulfúrico a dosificar va a ser menor que la cantidad estequiométrica, puesto que el bisulfito sódico va a generar protones en su disociación. El contenido de este reactor redox, con el cromo hexavalente reducido pasará al tanque de precipitación conjunta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 14 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 3.1.3 Línea de aguas de cataforesis El diagrama de flujo de la corriente de agua procedente del proceso de cataforesis se detalla a continuación: Figura 4: Línea de aguas de cataforesis con su correspondiente tanque de homogeneización-regulación Estas aguas que contienen plomo, níquel y cadmio llegan al tanque de homogeneización-regulación y de éste se derivan a un reactor de precipitación, siguiéndose el proceso que será explicado a continuación. La precipitación del plomo se realizará en una primera etapa previa a la precipitación del resto de los metales. Esto es debido a que la precipitación más adecuada para el plomo tiene lugar en forma de carbonato, debido a la alta solubilidad de la forma hidróxido (forma en la que van a precipitar el resto de metales). En la siguiente tabla se muestra la solubilidad del plomo frente a distintos compuestos, expresada en ppm. Se observa numéricamente que la solubilidad en forma de hidróxido es muy elevada y que la de la forma carbonato es muy baja. Tabla 5: Solubilidad del plomo frente a los distintos compuestos (ppm) METAL 2+ Pb EOI Escuela de Organización Industrial HIDROXIDO 2.0x 10 0 SULFURO 4.0 x 10 -9 CARBONATO 7.0 x 10-13 http://www.eoi.es 15 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Como se observa gráficamente en la siguiente figura, la precipitación del plomo con hidróxido requeriría unas concentraciones muy elevadas de cal para que la precipitación fuera posible. Figura 5: Solubilidad teórica del hidróxido de plomo De no realizar la separación de plomo en forma de carbonato de manera independiente al resto de metales, existiría un aumento del consumo de ácido para subir el pH y posterior consumo de base para la reneutralización, además, los equipos de tratamiento a implantar serían de mayor tamaño. El proceso tendrá lugar en el reactor de precipitación, situado a continuación del tanque de homogeneización-regulación de las aguas de cataforesis. Para la precipitación se empleará carbonato sódico, Na 2CO3. Es necesario dosificar este reactivo en exceso para asegurar la precipitación total del plomo lo que da lugar a la precipitación secundaria del CaCO3, que se explicará posteriormente. La reacción que tiene lugar es la siguiente: Reacción de precipitación del plomo: Pb2+ + Na2CO3 PbCO3 + 2 Na+ El contenido de este reactor de precipitación, con el precipitado de plomo formado y con la mayor parte del níquel y cadmio todavía en disolución, pasarán al primer tanque de precipitación conjunta. Cabe destacar que una pequeña parte del Ni +2 y del Cd+2 va a precipitar en forma de carbonato. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 16 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 3.2 Tratamiento conjunto – primera etapa Este tratamiento conjunto de primera etapa consta de distintos procesos: precipitación, coagulación-floculación y decantación. Figura 6: Esquema completo del tratamiento de primera etapa La descripción más detallada del diagrama de flujo de la figura anterior (Figura 6), se presenta a continuación: Una vez que el Cr+6 se redujo a Cr+3 y que el plomo precipitó en forma de carbonato, las tres líneas de agua se unen en el reactor de precipitación conjunta para continuar un proceso único. Este tanque se empleará, al mismo tiempo, como coagulador. Para llevar a cabo este proceso químico, se dosificará FeCl3 como coagulante y el reactor se mantendrá agitado vigorosamente para que tenga lugar la neutralización de los coloides y emulsiones que se puedan generar debido a las grasas de las aguas de desengrasado. Para que se produzca la precipitación del níquel, cadmio y de los fosfatos, es necesario añadir cal para llevar a cabo dos procesos conjuntamente: Garantizar que existen iones OH- en disolución para provocar la precipitación de los distintos metales en forma de hidróxidos y del fósforo en forma de fosfato cálcico. Ajustar el pH de entrada, pH = 4 hasta el pH objetivo, pH = 10,5. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 17 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Níquel y cadmio En este caso, la forma hidróxido es la manera mas adecuada para llevar a cabo la precipitación del níquel y cadmio. Los valores de solubilidad quedan reflejados en la siguiente tabla: Tabla 6: Solubilidad del níquel y cadmio frente a los distintos compuestos (ppm) METAL Ni 2+ Cd2+ HIDROXIDO 7.0x 10 -3 2.5x 10-5 SULFURO CARBONATO -8 2.0 x 10-1 6.7 x 10-10 2.0x 10-4 7.0 x 10 Como se observa, la solubilidad de los sulfuros es más baja que la de los hidróxidos. Sin embargo, los sulfuros no se emplean para llevar a cabo la precipitación de estos metales, ya que presenta el inconveniente de que deja iones tóxicos en el agua, S 2-, es más caro y además, existe la posibilidad de formar atmosferas insalubres, generando olores intensos y desagradables. Por ello y dado que la solubilidad con el hidróxido es elevada, se empleará este compuesto para conseguir la eliminación de los metales. Los precipitados formados tienen lugar de acuerdo con las siguientes reacciones químicas: Reacción de precipitación del hidróxido de níquel: Ni2+ + 2OH- Ni (OH)2 ↓ Reacción de precipitación del hidróxido de cadmio: Cd2+ + 2OH- Cd (OH)2 ↓ EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 18 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell En las siguientes figuras se observa gráficamente la solubilidad teórica del hidróxido de níquel y cadmio de acuerdo con el pH del medio. Figura 7: Solubilidad teórica del hidróxido de níquel e hidróxido de cadmio Como se explicó anteriormente, la cal a dosificar se empleará para la precipitación de ambos metales en forma hidróxido y para ajustar el pH. Como queda reflejado en la figura anterior (Figura 7), el pH óptimo se encuentra en el rango 10-10,5. Fosfatos La eliminación de fosfatos por precipitación química se puede llevar a cabo con gran variedad de iones, aunque desde el punto de vista práctico los únicos utilizados son sales de aluminio, hierro y calcio. A continuación se detallan las reacciones de precipitación con distintas sales: Si se emplearán sales de aluminio el precipitado formado sería fosfato de aluminio, siguiendo la siguiente reacción química: Reacción de precipitación con sales de aluminio: PO43- + Al3+ AlPO4 ↓ EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 19 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Si se emplearán sales de hierro, pudiendo ser tanto sales ferrosas como férricas, los precipitados formados serían fosfato ferroso y fosfato férrico respectivamente. Siguiendo las siguientes reacciones químicas: Reacción de precipitación con sal ferrosa: 2PO43- + 3 Fe2+ Fe3 (PO4)2 Reacción de precipitación con sal férrica: PO43- + Fe3+ FePO4 Sin embargo, en este caso, se ha decidido que la manera más adecuada para conseguir la precipitación de los fosfatos presentes en el agua residual será en forma de fosfato cálcico, siguiendo la siguiente reacción química: Reacción de precipitación del fosfato cálcico: 2 PO43- + 3 Ca2+ Ca3 (PO4)2 ↓ Puesto que, como se ha explicado anteriormente, es necesaria la adicción de cal en el reactor de precipitación conjunta de primera etapa para subir el pH y para que ocurra la precipitación del níquel y cadmio. De manera que los iones Ca 2+ de la cal, reaccionarán con los fosfatos presentes formando el citado compuesto insoluble. De esta manera, se consigue la precipitación de los fosfatos, sin que sea necesaria la adicción de sales de aluminio o hierro, con el consecuente ahorro económico en reactivos y facilitándose, de este modo, el control de la planta. Los precipitados anteriormente obtenidos son los precipitados de los metales pesados principales. Pero van a existir una serie de reacciones secundarias en las que la cal añadida ayudará a precipitar: A los sulfatos: Procedentes de la adicción de H2SO4 y bisulfito sódico (dosificados en el reactor redox para la reducción del cromo hexavalente) A los carbonatos: Procedentes del exceso de carbonatos empleados para la precipitación del plomo. Al coagulante, FeCl3. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 20 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell La generación de estos precipitados secundarios va a conllevar a una mayor producción de fangos. De manera que es importante conocerlos para que el dimensionamiento de la línea de fangos sea el correcto. A continuación se explican la formación de dichos compuestos insolubles: Sulfato cálcico: En la reducción del cromo hexavalente se añadió H 2SO4 para el ajuste del pH y bisulfito sódico para que la reacción tuviera lugar. Este ion sulfato en disolución junto con los iones Ca2+ procedentes de la disociación de la cal van a generar sulfato cálcico, que precipitará, en parte, siguiendo la siguiente reacción: Reacción de precipitación del sulfato cálcico: SO42- + Ca+2 CaSO4 ↓ Carbonato cálcico: Como se explicó con anterioridad, el plomo es el único de los metales presentes que precipita en forma de carbonato. De manera que los iones carbonato en disolución junto con los iones Ca +2 procedentes de la cal añadida, precipitan formando CaCO3 según la siguiente reacción: Reacción de precipitación de carbonato cálcico: CO32- + Ca+2 CaCO3 ↓ Como se ha citado anteriormente, este tanque de precipitación conjunta se empleará, al mismo tiempo, como coagulador. Para que la coagulación tenga lugar se dosificará FeCl3, que se encargará de la neutralización de las cargas eléctricas de los coloides y emulsiones, ayudando a mejorar las condiciones de decantación posteriores. Con el fin de conseguir la correcta homogeneización del coagulante en el volumen de agua a tratar, el coagulador se mantendrá agitado mecánicamente de manera vigorosa. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 21 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Hidróxido férrico: Debido a la presencia de cal en el medio, en este tanque tendrá lugar la precipitación del hidróxido férrico formándose debido a la reacción química entre el coagulante y la cal, del siguiente modo: Reacción de precipitación del hidróxido de hierro: 2FeCl3 + 3 Ca (OH)2 2 Fe (OH)3 ↓ + 3CaCl2 Una vez que han ocurrido todas las precipitaciones y la coagulación correspondiente, el siguiente paso en el proceso es la floculación. Con el objetivo de reagrupar las partículas finas, previamente coaguladas, en otras de mayor tamaño que facilite su decantación posterior se empleará polielectrolito comercial como floculante. Esta operación tendrá lugar en el floculador que se mantendrá agitado mecánicamente de una manera suave para que no se produzca la rotura de los flóculos formados. Una vez que ha tenido lugar la floculación del caudal a tratar se derivará al decantador. En el proceso de decantación, se eliminarán los precipitados formados y los sólidos en suspensión presentes en el agua residual, obteniéndose unos lodos que se enviarán a la línea de fangos para su posterior tratamiento. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 22 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 3.3 Tratamiento conjunto – segunda etapa Este tratamiento consta de distintos procesos: precipitación, coagulación-floculación y decantación. Figura 8: Esquema completo del tratamiento de segunda etapa Cromo (III) La existencia de este tanque es fundamental, puesto que todavía no se eliminó el cromo. En el tanque redox, como se explicó con anterioridad, se redujo el Cr +6 a Cr+3, de manera que en el agua a tratar existen Cr 3+ que se eliminarán en este segundo tanque de precipitación. La precipitación de cromo es independiente de la precipitación del resto de metales ya que presenta un valor de producto de solubilidad mínimo a un pH distinto al resto de metales. Por ello, es necesario dosificar ácido sulfúrico, para bajar el pH de 10,5 (pH del agua de entrada) a pH 8,5, pH óptimo para que ocurra el proceso. De manera que, el Cr3+ precipitará a medida que se va dosificando ácido. A pH 10,5 existe una gran concentración de iones OH- en el medio, por ello, cuando se alcance el pH objetivo se generará el compuesto insoluble de hidróxido de cromo. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 23 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Como se observa el la siguiente tabla, la única manera de eliminar el Cr3+ es en forma de hidróxido. Tabla 7: Solubilidad del cromo frente a los distintos compuestos (ppm) METAL HIDROXIDO 3+ Cr 8.5x 10 -4 SULFURO CARBONATO No precipita En la siguiente figura se muestra la solubilidad teórica de este hidróxido de acuerdo con el pH. Figura 9: Solubilidad teórica del hidróxido de cromo La reacción de precipitación es la siguiente: Reacción de precipitación del hidróxido de cromo: 2 Cr3+ + 3 OH- 2 Cr (OH)3 ↓ Al igual que en la primera etapa, en este tanque de precipitación conjunta actúa como coagulador. La agitación del tanque será vigorosa para la correcta distribución de los reactivos químicos. La coagulación seguirá el mismo proceso que la coagulación anterior, con la peculiaridad de que, la dosis de coagulante a añadir es menor, puesto que la concentración de metales a eliminar es sustancialmente menor que en la primera etapa. Como agente coagulante se empleará cloruro férrico. Por lo tanto, del mismo modo que en el tratamiento anterior, se producirá la precipitación del hidróxido férrico, formado en la reacción secundaria entre el coagulante y la cal. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 24 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Siguiendo la misma reacción: Reacción de precipitación del hidróxido de hierro: 2FeCl3 + 3 Ca (OH)2 2 Fe (OH)3 ↓ + 3CaCl2 Debido a las bajas velocidades de sedimentación del hidróxido de Cr y a la necesidad de obtener el máximo rendimiento en este proceso, es necesario llevar a cabo una floculación, con el fin de aglomerar las partículas y compactarlas de tal forma que las pérdidas de sólidos de pequeño tamaño sean mínimas y la compactación de los flóculos aumente la velocidad de sedimentación. Ésta tendrá lugar en el floculador que se mantendrá agitado mecánicamente de manera suave, para evitar la rotura de los flóculos formados. Al igual que en el caso del coagulante, la dosificación del polielectrolito también es menor que en la floculación de primera etapa. En la decantación se elimina el hidróxido de cromo precipitado así como el hidróxido férrico. Ambos precipitados se envían a la línea de fangos para su posterior tratamiento. A modo de resumen, en la tabla que se muestra a continuación quedan detallados todos y cada uno de los precipitados, formados en las reacciones primarias y secundarias, que se forman en el proceso: Tabla 8: Relación de precipitados formados PRECIPITADOS PbCO3 Tipo de reacción de formación del precipitado Reacción primaria Pretratamiento aguas cataforesis Ni(OH)2 Reacción primaria Precipitación conjunta – 1ª etapa Cd(OH)2 Reacción primaria Precipitación conjunta – 1ª etapa Ca3(PO4)2 Reacción primaria Precipitación conjunta – 1ª etapa CaCO3 Reacción secundaria Precipitación conjunta – 1ª etapa CaSO4 Reacción secundaria Precipitación conjunta – 1ªetapa Fe(OH)3 Reacción secundaria Precipitación conjunta – 1ª y 2ª etapa Cr(OH)3 Reacción primaria Precipitación conjunta – 2ª etapa EOI Escuela de Organización Industrial Proceso en el que ocurre http://www.eoi.es 25 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 3.4 Línea de fangos El diagrama de flujo de la línea de fangos se detalla en la siguiente figura: Figura 10: Línea de fangos Los lodos generados procedentes de este tipo de aguas industriales, por poseer en su composición metales pesados, van a ser clasificados como residuos peligrosos, siendo su destino final el vertedero de seguridad, ya que por lixiviación puede liberar los metales pesados u otros elementos tóxicos. El tratamiento de fangos se realiza para reducir el volumen y por consiguiente, la manipulación y evacuación de la planta será más sencillo y económico. La línea de fangos consiste en los siguientes procesos: Espesado por gravedad: Los lodos obtenidos en la purga de decantación, procedentes de las reacciones de precipitación, se encuentran a una concentración muy baja, siendo preciso el espesado antes de la deshidratación. Con el espesamiento, se consigue la eliminación de parte del agua de los fangos, y consecuentemente, se consigue aumentar la concentración de los lodos del 2% al 7%. Este proceso tendrá lugar en el espesador por gravedad, el fundamento de este equipo es el mismo que el de un decantador, de modo que se basa en la diferencia de densidad entre el agua y los sólidos a espesar. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 26 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Los fangos espesados se obtienen por el fondo del decantador y pasarán al siguiente proceso de la línea. Por la superficie del decantador, se obtiene un líquido clarificado que se envía al primer tanque de precipitación conjunta, para su tratamiento. Deshidratación: El objetivo es alcanzar una sequedad adecuada para que los fangos se encuentren en fase sólida y puedan ser evacuados a vertedero de seguridad. Debido a que los fangos son peligrosos es necesario alcanzar una sequedad elevada con el fin de disminuir los costes económicos de vertedero. La deshidratación se lleva a cabo con un filtro prensa, consiguiéndose una sequedad del orden del 50%, siendo éste el único método que alcanza dicha sequedad. Al igual que en el proceso anterior, el agua sobrante de la deshidratación con filtro prensa, se derivará al primer tanque de precipitación conjunta para su tratamiento. Esta torta deshidratada es el producto final del proceso. Los fangos se almacenarán en una tolva de 35 m3 y serán evacuados de la planta cada 3-4 días y enviado a depósito de seguridad. Es importante conseguir que la cantidad de fango sea la menor posible ya que al estar clasificados como peligrosos los costes de vertedero de seguridad serán menores. A pesar de este tratamiento, en una EDARi de este tipo, el transporte y gestión de los fangos representa un porcentaje importante dentro de los costes anuales totales de la planta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 27 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 4. Resultados obtenidos 4.1 Resumen del diseño de los equipos A continuación se detallan las dimensiones y datos relevantes de los equipos del proceso. 4.1.1. Pretratamiento Los equipos empleados en el pretratamiento son: tanques de homogeneización-regulación con sus correspondientes sistemas de agitación por aireación, reactor redox de aguas crómicas y tanque de precipitación del plomo. Tanques de homogeneización-regulación y sistema de aireación: Los tres tanques de homogeneización de la composición y regulación del caudal se han diseñado siguiendo los mismos criterios con el fin de facilitar la obra civil. Para su dimensionamiento se ha tenido en cuenta un tiempo de retención de 24 horas, por las razones mencionadas con anterioridad en el apartado 3.1. Los tanques son rectangulares con igual longitud y altura, 20 metros y 5.3 metros respectivamente. La altura se sobredimensiona en 30 cm de nivel libre. El volumen real ha sido sobredimensionado en un 20% con respecto al teórico para garantizar la seguridad y asegurar que los tanques no se van a trabajar llenos hasta el límite del rebosamiento. Como es lógico, debido a que el caudal de llegada a cada tanque es distinto, los volúmenes van a ser diferentes, de manera que es la anchura la que va a marcar la diferencia entre balsas. En las siguientes tablas (Tablas 9, 10 y 11) se muestra el dimensionamiento de los tanques, de acuerdo con el volumen real, superficie real y anchura adoptada. Tabla 9: Dimensionamiento del tanque homogeneización-regulación de las aguas de desengrasado y fosfatación AGUAS DE DESENGRASADO Y FOSFATACIÓN Volumen real 765 m3 Superficie real 120 m2 Anchura adoptada 6 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 28 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Tabla 10: Dimensionamiento del tanque homogeneización-regulación de las aguas crómicas AGUAS CRÓMICAS Volumen real 1272 m3 Superficie real 200 m2 Anchura adoptada 10 m Tabla 11: Dimensionamiento del tanque homogeneización-regulación de las aguas de cataforesis AGUAS DE CATAFORESIS Volumen real 1145 m3 Superficie real 180 m2 Anchura adoptada 9 m Estos tanques se van a mantener agitados mediante un sistema de aireación. Este sistema consta de una soplante (con su correspondiente reserva), que proporciona aire a los tres tanques mediante unos difusores cerámicos de burbuja media con una capacidad de 4 m 3 aire por difusor/h. Se han elegido estos difusores puesto que son los únicos que no sufren ataque químico. Cabe destacar que los difusores se han distribuido homogéneamente a lo largo de la superficie, consiguiéndose la mezcla completa del aire en el interior de la balsa. El aire proporcionado por la soplante tiene que vencer la pérdida de carga que sufre en la tubería, en los propios difusores y debido a la altura de la lámina de agua, de 5 metros de altura. Se ha considerado, en todos los casos, que la pérdida de carga es de 8 m.c.a. En las siguientes tablas (Tablas 12, 13 y 14) se detallan los datos correspondientes al sistema de aireación de cada uno de los tanques. Mostrándose el número de difusores por balsa y su distribución espacial (filas y columnas) dentro de la misma. Tabla 12: Sistema de aireación aguas de desengrasado y fosfatación SISTEMA DE AGITACIÓN DE LA LÍNEA DE AGUAS DE DESENGRASADO Y FOSFATACION Caudal 40 m3/h Nº difusores por tanque 200 unidades Filas 10 filas Columnas 20 columnas EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 29 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Tabla 13: Sistema de aireación aguas crómicas SISTEMA DE AGITACIÓN DE LA LÍNEA AGUAS CRÓMICAS Caudal 25 m3/h Nº difusores por tanque 320 unidades Filas 16 filas Columnas 20 columnas Tabla 14: Sistema de aireación aguas de cataforesis SISTEMA DE AGITACIÓN DE LA LÍNEA AGUAS DE CATAFORESIS Caudal 35 m3/h Nº difusores por tanque 280 unidades Filas 14 filas Columnas 20 columnas Reactor redox: Como se ha explicado con anterioridad, en este reactor tendrá lugar la reacción redox para la reducción del Cr6+ a Cr3+. El reactor es cúbico y lleva incorporado un sistema de agitación mecánico para la correcta distribución de los reactivos químicos, ácido sulfúrico y bisulfito sódico. Dado que las reacciones redox no son reacciones químicas de primer orden, se ha estimado que el tiempo de retención es de aproximadamente 30 -35 minutos. En la siguiente tabla se muestra el volumen y altura adoptada del reactor. Tabla 15: Dimensionamiento del reactor redox REACTOR REDOX Volumen real 27 m3 Altura adoptada 3 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 30 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Tanque de precipitación del plomo: El tanque es cúbico y lleva incorporado un sistema de agitación mecánico, para facilitar la reacción entre el carbonato sódico y el plomo en disolución. El tiempo de retención se ha estimado en 8–10 minutos. Cabe destacar que, es un tiempo de retención elevado para una reacción de precipitación, pero se ha aumentado por razones de seguridad, ya que es necesario que el plomo, en su casi totalidad, precipite en este tanque. A continuación se muestran las dimensiones adoptadas para este tanque: Tabla 16: Dimensionamiento del tanque de precipitación del plomo TANQUE DE PRECIPITACIÓN DEL Pb Volumen real 8 m3 Altura adoptada 2 m 4.1.2. Tratamiento conjunto – primera etapa Los equipos correspondientes a este tratamiento son: tanque de precipitación conjunta-coagulador, floculador y decantador. Tanque de precipitación conjunta y coagulador: Como se ha explicado en el apartado 3.2, en este tanque tendrá lugar la precipitación de los hidróxidos de níquel, cadmio y hierro, así como la del fosfato cálcico, carbonato cálcico y sulfato cálcico. Además de la precipitación, se dosificará FeCl3 para llevar a cabo la coagulación. Este tanque es cúbico y está dotado con un sistema de agitación mecánico. La agitación será vigorosa, para que se produzcan la distribución homogénea de los reactivos químicos y del coagulante a dosificar, facilitando la ocurrencia de las distintas reacciones en el menor tiempo posible. El tiempo de retención se ha estimado aproximadamente 12 minutos ya que es necesario garantizar que todas las reacciones ocurren de manera total con el fin de eliminar de los precipitados de metales pesados y de los otros compuestos citados en la decantación posterior. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 31 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell En la siguiente tabla se muestran las dimensiones del tanque de precipitación conjunta de primera etapa y coagulador. Tabla 17: Dimensionamiento del tanque de precipitación conjunta TANQUE DE PRECIPITACIÓN CONJUNTA Volumen real 27 m3 Altura adoptada 3 m Floculador: En el floculador, gracias a la adicción del floculante, se producirá la agrupación de los pequeños precipitados formados facilitándose la posterior decantación. El floculador es cúbico y lleva integrado un sistema de agitación mecánico. La agitación será suave para garantizar que los flóculos formados no se rompen. Como se observa en la Tabla 18, el volumen del floculador es mayor que el del coagulador. Esto se debe a que el tiempo de retención de la floculación es mayor que el de la coagulación, ya que, en este caso, la agitación es lenta en lugar de rápida y por lo tanto la velocidad de reacción será menor. Se ha estimado que el tiempo de retención aplicable al floculador es de aproximadamente 20 – 22 minutos. En la siguiente tabla se muestra el volumen y altura adoptada del floculador: Tabla 18: Dimensionamiento del floculador de primera etapa FLOCULADOR Volumen 43 m3 Altura 3,5 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 32 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Decantador: El decantador es circular de tracción periférica. Para el diseño del decantador se ha tomado un valor de velocidad ascensional del agua en el decantador de 1.2 m/h, esta velocidad se asimila a la velocidad final de caída de las partículas y es lo que se conoce como carga hidráulica. De manera que, decantaran aquellas partículas cuya velocidad de decantación sea superior a la velocidad ascensional, siempre y cuando se disponga de un tiempo de residencia adecuado. Se ha estimado que el tiempo de residencia es de 3 horas, tiempo necesario para que los precipitados decanten en el fondo. Para facilitar el desplazamiento de los fangos hasta la poceta central, se ha diseñado la solera del fondo del decantador con cierta pendiente hacia el centro. En la siguiente tabla se muestran las dimensiones adoptadas para el decantador, teniendo en cuenta las normas básicas de diseño y las limitaciones constructivas de este tipo de equipos. Tabla 19: Dimensionamiento del decantador de primera etapa DECANTADOR Volumen 427 m3 Diámetro adoptado 12 m Altura adoptada 3,75 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 33 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 4.1.3. Tratamiento conjunto – segunda etapa Esta segunda etapa de precipitación está constituido por los mismos equipos que el tratamiento explicado previamente: tanque de precipitación-coagulador, floculador y decantador. Para su dimensionamiento se han tomado las mismas normas de diseño que las explicadas para el tratamiento conjunto de primera etapa. A continuación se muestran los datos de cada uno de los equipos empleados. Tanque de precipitación y coagulador: El tanque es cúbico y lleva integrado un sistema de agitación mecánico vigoroso. En la siguiente tabla se muestran las dimensiones del tanque de precipitación conjunta de segunda etapa, que actúa al mismo tiempo como coagulador. Tabla 20: Dimensionamiento del tanque de precipitación TANQUE PRECIPITACIÓN Volumen real 5,4 m3 Altura adoptada 1,75 m Como se ha explicado en el apartado 3.3, en este tanque tendrá lugar la precipitación de los hidróxidos de cromo y hierro. Además de la precipitación, se dosificará FeCl3 para llevar a cabo la coagulación. Floculador: El tanque es cúbico y lleva integrado un sistema de agitación mecánico suave. En la siguiente tabla se muestra el volumen y altura adoptada del floculador: Tabla 21: Dimensionamiento del floculador de segunda etapa FLOCULADOR Volumen real 43 m3 Altura adoptada 3,5 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 34 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Decantador: El decantador es de sección circular. En la siguiente tabla se muestran las dimensiones del diseño del decantador. Tabla 22: Dimensionamiento del decantador de segunda etapa DECANTADOR Volumen real 427 m3 Diámetro adoptado 12 m Altura adoptada 3,75 m 4.1.4. Línea de fangos La línea de fangos consta de los siguientes elementos: espesador por gravedad, filtro prensa y tolva de almacenamiento. Los fangos totales provienen de los precipitados eliminados en los decantadores, así como de los sólidos en suspensión decantados. : En la siguiente tabla se muestran los kilogramos de fangos generados diariamente en la planta. Tabla 23: Fangos generados diariamente FANGOS GENERADOS Precipitados 1019 Kg/día Sólidos en suspensión 746 Kg/día Como se ha explicado previamente en el apartado 3.4 los fangos generados en esta EDARi van a ser clasificados como peligrosos, debido a la presencia de metales pesados y por lo tanto, tras su tratamiento en la planta serán enviados a vertedero de seguridad. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 35 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell A continuación se muestra el dimensionamiento de los equipos: Espesador: Se ha diseñado un espesador por gravedad de sección circular de tracción central. Siguiendo las normas generales de diseño, dado que el diámetro del espesador es inferior a 5 m se ha diseñado un espesador estático, con una inclinación del fondo de 45º, con el fin de facilitar la descarga del fango espesado. Se ha decido aplicar un tiempo de retención de 36 horas con el fin de que exista suficiente tiempo para aumentar la concentración de los lodos, con el fin de reducir su volumen. A pesar de que los fangos generados en esta EDARi no poseen concentraciones elevadas de carga orgánica, el espesador se cerrará, ya que debido al elevado tiempo de retención del fango en los espesadores puede existir una tendencia a que se generen olores desagradables. En la siguiente tabla se muestran las dimensiones del espesador por gravedad. Tabla 24: Dimensionamiento del espesador ESPESADOR Volumen 115 m3 Diámetro adoptado 6 m Altura 4 m Dado que los fangos a espesar no contienen materia orgánica, tras su espesado se procede directamente a la deshidratación de los mismos, de modo que no va a existir el tratamiento de estabilización intermedio que existe en las estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas. Deshidratación: Como ya se ha explicado, para conseguir la mayor deshidratación posible se va a emplear un filtro prensa, con el fin de reducir a un mínimo los costes del vertedero de seguridad, así como cumplir la normativa de dichos vertederos en cuanto a humedad mínima admisible en sus instalaciones. En equipo de filtración a presión se basa en la aplicación de presión sobre un medio filtrante con el fin de eliminar el agua. Estos filtros consisten en un conjunto de placas ranuradas colocadas verticalmente y enfrentadas entre sí. Sobre cada una de las caras de cada placa se acopla una tela filtrante y el fango se introduce entre las telas. Gracias a la presión aplicada, el líquido pasa a través de la tela, esta agua se envía al tanque de precipitación conjunta para su nuevo tratamiento. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 36 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell El resultado final es una torta deshidratada, a la que se le aplica un soplado con aire para aumentar la sequedad antes de la apertura de filtro. Gracias a este equipo se puede llegar a conseguir una sequedad del orden del 50%. Con el fin de conseguir una buena sequedad, se dosificará cal, lo que conlleva a la generación de una mayor cantidad de fangos. Tolva de almacenamiento de fangos: Como se explicó anteriormente, una vez que se ha conseguido la deshidratación idónea de los fangos, éstos se almacenan en una tolva. Existirá una cinta transportadora encargada de transportar los lodos desde el filtro prensa hasta la parte superior de la tolva para su almacenamiento. La tolva tendrá un volumen de 35 m3 y estará situada a una cierta altura del suelo con el fin de facilitar las maniobras de los camiones que se encargarán de su transporte a vertedero de seguridad. Gracias al volumen de la tolva, los fangos serán evacuados de la planta cada 3-4 días. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 37 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 4.2 Dosificación de reactivos Como se ha ido explicando a lo largo del proyecto, la EDAR de una industria del sector del automóvil trata sus aguas residuales gracias a distintos tratamientos por vía química. Por ello, para que ocurran las distintas reacciones es necesario dosificar ciertos reactivos químicos. En este apartado se describirán los reactivos empleados, su dosificación y su almacenamiento. Reactivos empleados, su dosificación y almacenamiento Bisulfito sódico, NaHSO3 Este reactivo se dosifica en el reactor redox para que tenga lugar la reducción del cromo hexavalente. Se empleará bisulfito comercial, con una densidad de 1480 kg/m 3 y una riqueza del 35%. Se dosificará diluido al 10%. Este reactivo es sólido y dado que es inestable, es necesario prepararlo cada 24 horas. Existen dos tanques de dosificación, cada día trabajará un tanque y el otro se tendrá en reserva y es donde se preparará el reactivo para el día siguiente, diluido al 10%. Ácido sulfúrico, H2SO4 El ácido sulfúrico se empleará para ajustar el pH, tanto en el reactor redox como en el tanque de precipitación conjunta de segunda etapa. Se empleará reactivo comercial con una riqueza del 98% y una densidad de 1840 kg/m 3. Se dosificará en forma líquida y diluido al 10%. Se preverá un tanque nodriza para el ácido sulfúrico con un consumo de 15 días, este tanque se sobredimensiona con un volumen de 5 m3, como margen para garantizar que habrá ácido en la planta si existen problemas o retrasos en el transporte de esta mercancía. Este tanque de nodriza será de acero al carbono con un secador al aire para absorber la humedad para que no baje su concentración, ya que con una concentración del 98% no es corrosivo pero si ésta baja del 92% si que lo es, atacando incluso al tanque de acero al carbono. Por ello es completamente necesario controlar la humedad, para ello se pone un secador y en la parte superior se pone un tubo de metacrilato con silicagel, gracias al cambio de color de esta sustancia se determina el grado de humedad en el tanque. Para la dosificación diaria de este reactivo se dispone de tanques de dosificación diarios, donde el ácido sulfúrico se encontrará diluido al 10%. Este tanque dispone de su correspondiente reserva. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 38 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Carbonato sódico, Na2CO3 Este reactivo se dosifica en el tanque de precipitación del plomo para hacer precipitar al plomo en forma de carbonato. Se empleará carbonato sódico comercial, con una riqueza del 100%. Se dosificará diluido al 10%. Este reactivo es sólido y por lo tanto se almacenará como tal. Existen Para su dosificación existen dos tanques de dosificación diarios, donde los reactivos estará diluido al 10%. Uno de ellos actuará como reserva. Cal, Ca(OH)2 La cal se empleará para la precipitación de los distintos metales pesados, níquel, cadmio y cromo en forma de hidróxidos y para la precipitación de los fosfatos en forma de fosfato cálcico. Así como para el ajuste del pH en el primer tanque de precipitación conjunta y para facilitar la deshidratación en el filtro prensa. Además, como se ha explicado con anterioridad, el empleo de la cal provoca la formación de precipitados secundarios. Se empleará cal comercial de calcita con una riqueza del 92%. La cal de dolomita, contiene óxido de magnesio, y requiere tiempos de retención mayores. Se dosificará en forma de lechada de cal diluida al 5%. Este reactivo es sólido y por lo tanto se almacenará como tal. Existen Para su dosificación existen dos tanques de dosificación diarios de lechada de cal. Uno de ellos actuará como reserva. Cloruro férrico, FeCl3 Este reactivo se empleará como coagulante y se dosificará en los tanques de precipitación conjunta de primera y segunda etapa, que actúan como coaguladores. Se empleará reactivo comercial con una riqueza del 35%. Se dosificará en forma líquida y diluido al 10%. Se preverá un tanque nodriza para el cloruro férrico con un consumo de 15 días, este tanque se sobredimensiona con un volumen de 5 m3, como margen para garantizar que habrá reactivo suficiente en la planta si existen problemas o retrasos en el transporte de este compuesto. Para la dosificación diaria de este reactivo se dispone de tanques de dosificación diarios, donde el coagulante se encontrará diluido al 10%. Este tanque dispone de su correspondiente reserva. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 39 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Polielectrolito Debido a la dificultad que presenta la preparación del floculante, se cuenta con un equipo automático para su preparación en continuo a partir de polielectrolito en polvo y agua. Se ha escogido el preparador modelo POLITOP debido a su amplia experiencia en la depuración de aguas residuales. Las ventajas que presenta esta unidad de preparación son: ahorro considerable de polímero y costos de explotación, precisión en la preparación y dosificación, optimización de los procesos y ahorro de espacio y centralización de la instalación. Este equipo compacto, extrae de la tolva de almacenamiento el polielectrolito en polvo mediante un dosificador de tornillo de velocidad variable, vertiéndose sobre el cono de agua de la tobera de mezcla. La mezcla obtenida cae por gravedad a la primera cuba de preparación y posteriormente pasa por medio de sifones a las cubas de maduración y dosificación. Las cubas de preparación y maduración tienen agitadores para garantizar una mezcla homogénea y el volumen idóneo para conseguir un tiempo de retención adecuado para la perfecta dilución. En la siguiente tabla se detallan las dosificaciones de reactivo puro necesario en el proceso, como se ha explicado, estas cantidades deben dosificarse diluidas al 10%, excepto el polielectrolito que se prepara al 0,1%. Las bombas dosificadoras correspondientes a cada reactivo están ajustadas a estos valores. Tabla 25: Dosificación de reactivos puros DOSIFICACIÓN DE REACTIVOS Reactivo empleado Consumo (Kg/h) NaHSO3 3,9 H2SO4 5,3 Na2CO3 4,5 Ca(OH)2 10,8 FeCl3 15 Polielectrolito 0,7 EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 40 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 4.3 Sistema de bombeo Toda planta industrial dispone de un sistema de bombeo necesario para impulsar el fluido a lo largo de todo el proceso. La potencia de este sistema de bombeo tiene que ser suficiente para vencer tanto la diferencia de altura como todas las pérdidas de carga que sufre el fluido en el proceso, ya sea en la propia tubería o en los diferentes equipos. El sistema de bombeo de esta Estación Depuradora se compone de: Tres bombas de agua bruta (+3 en reserva) situadas a continuación de cada tanque de regulación – homogeneización. Dos bombas de fangos (+2 en reserva), situadas a la salida de cada decantador. La mayor parte del proceso transcurre por gravedad, pero, para que esto ocurra, es necesario impulsar el agua a la salida de los tanques de homogeneización-regulación hasta la altura correspondiente, ya que dichos tanques se encuentran enterrados. La finalidad de las bombas de agua bruta es impulsar el agua a dicha altura. A continuación se detallan las características de las tres bombas de agua bruta: Bomba 1: Correspondiente al bombeo de la línea de aguas de desengrasado y fosfatación. Tabla 26: Bomba de la línea de agua de desengrasado y fosfatación. BOMBA 1 Caudal 25 m3/h Carga 6 m.c.a Bomba 2: Correspondiente al bombeo de la línea de aguas crómicas. Tabla 27: Bomba de la línea de aguas crómicas. BOMBA 2 Caudal 40 m3/h Carga 6 m.c.a Bomba 3: EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 41 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Correspondiente al bombeo de la línea de aguas de cataforesis. Tabla 28: Bomba de la línea de aguas de cataforesis BOMBA 3 Caudal 35 m3/h Carga 6 m.c.a Por otro lado, el bombeo de fangos es necesario para facilitar la llegada de los mismos a los equipos de tratamiento, concretamente al espesador. Estos fangos son más espesos que el agua bruta, por lo que requieren de una mayor potencia de las bombas. Dichas bombas se han diseñado para vencer la diferencia de altura entre los equipos anterior y posterior, para vencer también la pérdida de carga del fluido en la tubería y, sobretodo, para que el fluido llegue con la suficiente presión al filtro prensa para que éste funcione correctamente. A continuación se detallan las características de estas bombas: Bomba 4: Correspondiente al bombeo de la línea de fangos. Tabla 29: Bomba de la línea de fangos. BOMBA 4 Caudal 93 l/h Carga 20 m.c.a Bomba 5: Correspondiente al bombeo de la línea de fangos. Tabla 30: Bomba de la línea de fangos. BOMBA 5 Caudal 18 l/h Carga 20 m.c.a 5. Instrumentación y control de la planta EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 42 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Para llevar a cabo un seguimiento de todos los procesos de la planta y garantizar su correcto funcionamiento, es necesario controlar, como mínimo, las siguientes variables: Caudal Presión Nivel pH Potencial Redox A continuación se muestra el diagrama de instrumentación y control de la planta: EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 43 Figura 11: Esquema del diagrama de instrumentación y control de la planta EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 44 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell A continuación se explica detalladamente cada uno de los parámetros a controlar: Caudal El caudal es, seguramente, la variable más importante a controlar. La planta se ha diseñado para un caudal determinado, concretamente para el caudal medio. En caso de que ese caudal sea superado, en primer lugar los equipos se desbordarían, y en segundo lugar, el agua vertida no cumpliría ninguna de las limitaciones, por lo que se estaría perjudicando a las estaciones depuradores aguas abajo, con todas las pérdidas que eso conlleva. Para evitar todo ello, la planta dispone de varios sistemas de seguridad. En primer lugar, los propios tanques de almacenamiento de entrada actúan como sistema de regulación en casos de caudal punta. En segundo lugar, y en caso de que este sistema falle, por ejemplo, por alguna posible ruptura de dichos tanques, existen sistemas de by-pass en la planta, para verter directamente al colector sin dañar los equipos posteriores y evitando daños mayores. Y en tercer lugar, existen varios sistemas de control de flujo. Este sistema de control de flujo está compuesto por un transmisor situado en campo, que envía una señal eléctrica al controlador situado en la sala de control, que a su vez, envía una señal neumática a la válvula reguladora situada en la tubería, haciendo que ésta modifique su apertura en función del problema. Este sistema se encuentra situado después de los tanques de homogeneización -regulación de cada línea de agua con el fin de conocer en cada instante de tiempo el caudal que circula, y en la línea de fangos a la salida de los decantadores, con el fin de conocer en todo momento el caudal de fango que produce la planta y que va a ser posteriormente tratado. Presión Esta variable no está considerada de las más importantes ya que prácticamente todos los equipos del proceso están abiertos a la atmósfera, y casi todo el proceso transcurre por gravedad, es decir, a una presión baja. Únicamente es imprescindible medir esta variable en los equipos a presión, que son, en este caso, las bombas, la soplante, y el filtro prensa. En estos equipos se alcanzan presiones mayores que requieren ser medidas por razones de seguridad. La medición de esta variable se hace en campo exclusivamente, y, en caso de superarse valores de diseño, dichos equipos disponen de sistemas de seguridad, como válvulas de alivio, o válvulas reductoras de presión. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 45 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Nivel El nivel es una variable muy importante siempre que haya tanques. El punto de medida más importante de esta variable es en los tanques de regulación – homogeneización, ya que en caso de producirse un problema en dichos tanques, la bomba situada a la salida de ambos quedará afectada directamente, lo que conlleva importantes pérdidas económicas. El sistema de control de nivel está compuesto por un transmisor situado en el mismo tanque, que envía una señal eléctrica al controlador situado en la sala de control, que a su vez, envía una señal neumática al motor de la bomba situada a continuación, haciendo que ésta modifique su frecuencia en función de la demanda. De esta manera, en caso de que el nivel en el tanque disminuya por debajo de un valor, la bomba disminuirá su frecuencia para dar tiempo a que el tanque vuelva a llenarse, hasta el punto de quedar parada si es necesario, antes de que existan problemas de cavitación en ella. Y, por el contrario, en caso de que se produzca un aumento del nivel por encima del valor límite, la bomba aumentará su frecuencia para bombear más agua y evitar problemas en ella. Otro punto importante de medición y control del nivel es en los tanques de dosificación de reactivos. El hecho de que estos tanques se queden sin reactivo supone que el agua no va a ser tratada como debería, y por lo tanto, será vertida sin cumplir con ninguna limitación. Este sistema de control, por lo tanto, es determinante para el correcto desarrollo del proceso. pH Otro punto clave y crítico del proceso. El pH es un indicador del correcto desarrollo de las reacciones de precipitación. Esta variable es el indicador de que dichas reacciones se han completado correctamente, por lo que su medición y control se hacen totalmente imprescindibles. Esta variable es controlada en todos los tanques donde ocurren reacciones de precipitación, y el sistema de control funciona del mismo modo que los anteriores. El transmisor en el propio tanque es el que mide el valor del pH. Este envía una señal eléctrica al controlador situado en la sala de control y éste, a su vez, envía una señal neumática a la válvula de control situada en la tubería de dosificación del reactivo. De este modo, en caso de que el pH sea menor que el pH de reacción, la válvula seguirá dosificando reactivo para alcanzar dicho pH. Y, en caso contrario, una vez alcanzado dicho pH, la válvula dejará de dosificar reactivo. Del mismo modo ocurre en los puntos donde es necesario ajustar el pH dosificando ácido o base, por ejemplo, en algunas etapas del proceso y a la salida de la planta, para los casos en los que, debido a un fallo en la misma, el vertido esté a un pH por encima del permitido y sea necesario bajarlo. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 46 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Potencial Redox El potencial redox es un indicador del completo desarrollo de la reacción redox del cromo, por lo que su medición y control se hace igualmente imprescindible. Esta variable es controlada únicamente en el tanque donde ocurre la reacción, y el sistema de control funciona del mismo modo que en el caso del pH. El transmisor en el propio tanque es el que mide constantemente el valor del potencial de la reacción. Este envía una señal eléctrica al controlador situado en la sala de control y éste, a su vez, envía una señal neumática a la válvula de control situada en la tubería de dosificación del reactivo necesario para que se lleve a cabo la reacción. Al ser medido en cada instante de tiempo, mientras el potencial siga aumentando de manera gradual, la válvula seguirá dosificando reactivo, pero en el momento en el que se produzca un aumento muy brusco en el mismo, la válvula dejará de dosificar, habiéndose completado la reacción. 6. Calidad del vertido final Se puede garantizar que, tras la depuración de las aguas, el vertido de la EDARi a colector municipal cumple con los requisitos establecidos de acuerdo a la Ley citada anteriormente en el apartado 2.2. Esta Ley no sólo fija las concentraciones límite de metales pesados que deben estar presentes en el vertido, sino que además fija también, como se detalló anteriormente, los límites en DBO5, DQO y sólidos en suspensión. En esta EDARi, además de la total eliminación de los metales pesados, como ya se ha detallado, se consigue la eliminación de gran parte de DBO 5, DQO y sólidos en suspensión presentes en las aguas. Para ello, es necesario fijar un rendimiento en el diseño de los decantadores del proceso, que son los encargados de eliminar parte de estos contaminantes. Teniendo en cuenta el rendimiento para DBO 5 y SS de un 20% y un 90% respectivamente, en los decantadores de primera y segunda etapa, los valores de salida para ambos parámetros se muestran a continuación. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 47 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Tabla 31: Calidad del vertido de la EDARi a colector municipal CALIDAD DE VERTIDO DBO5 170 ppm Sólidos en suspensión 5 ppm Metales pesados <0,5 ppm Como se puede observar en la tabla anterior, los valores de los contaminantes a la salida de la planta, cumplen perfectamente con los límites marcados en la Ley citada, con lo que queda garantizado el correcto funcionamiento de la planta. Además, dado que existe una gran diferencia entre dichos valores medios de salida y los valores límite fijados, existe un amplio margen de error en el proceso. 7. Estimación de los costes Un paso imprescindible previo al diseño y construcción de una planta industrial de estas características, es la realización de una estimación de los costes de dicha planta. De esta manera se verá si se puede hacer frente a los mismos o no. En el estudio económico realizado, se han tenido en cuenta varios aspectos que suponen una elevada cantidad de dinero. Dichos aspectos son los siguientes: Costes de personal Costes de energía eléctrica Costes de reactivos químicos Costes de transporte y gestión de fangos EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 48 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell A continuación se muestran detalladamente los costes asociados a cada uno de los puntos anteriores. Costes de personal En los costes de personal se ha estimado oportuna la necesidad de contratar a 2 operarios y 1 jefe de planta. En la siguiente tabla se muestran los salarios anuales de cada uno de los trabajadores de la planta, así como la partida anual destinada a dichos costes. Tabla 32: Costes anuales de personal PERSONAL 2 operarios 48.000 euros/año 1 jefe de planta 36.000 euros/año Total 84.000 euros/año Costes de energía En los costes de energía eléctrica se han tenido en cuenta todos los equipos eléctricos, así como la instrumentación e iluminación de los mismos. En la siguiente tabla se muestra la potencia instalada en cada uno de los equipos así como el total anual destinado a dichos costes. Tabla 33: Costes anuales de la energía eléctrica ENERGÍA ELÉCTRICA KW/h Euros/año Bombas centrífugas 30 685 Bombas dosificadoras 2 754 Soplantes 5 1920 Agitadores 1,5 548 Filtro prensa 12,5 4800 Tolva 0,75 274 Cinta transportadora 1 411 Iluminación de equipos 10 939 Total 24.096 Euros/año EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 49 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Coste de reactivos El siguiente aspecto a contabilizar es el consumo de reactivos en el proceso. La siguiente tabla muestra el consumo de dichos reactivos, así como el precio a pagar por ellos. Tabla 34: Costes anuales de los reactivos químicos REACTIVOS kg/año Euros/año Bisulfito sódico 15.230 15.230 Ácido sulfúrico 20.631 8.252 Carbonato sódico 18.048 4.512 Cal 67.858 6.785 Cloruro férrico 170.227 42.556 Polielectrolito 2.688 6.720 Total 83.790 Euros/año Transporte y gestión de fangos El último aspecto a contabilizar es el transporte y gestión de fangos. Como ya se explicó anteriormente, los fangos almacenados al final del proceso son llevados a vertedero de seguridad. Tanto el transporte como la gestión de dichos fangos en el vertedero suponen un coste importante para la empresa. En la siguiente tabla se muestra el precio por kg de fango depositado en vertedero, así como el coste anual de esta partida. Tabla 35: Costes anuales del transporte y gestión de los fangos TRANSPORTE Y GESTIÓN DE FANGOS Total kg/año Euros/kg 423.523 0,15 63.528 Euros/año Además de todos estos costes fijos, hay que tener en cuenta que existen unos costes de explotación y mantenimiento asociados a la planta, que se han estimado en aproximadamente 60.000 Euros/año. Esta estimación se ha realizado en base a otras estaciones depuradores de similares características que la empresa tiene construidas por el resto del país. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 50 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell Teniendo en cuenta todos y cada uno de los aspectos contabilizados anteriormente, se deduce que el coste anual total de la planta es el siguiente: Tabla 36: Costes anuales totales COSTE ANUAL TOTAL Costes Coste de explotación y mantenimiento COSTE ANUAL TOTAL 241.655 Euros/año 60.000 Euros/año 301.655 Euros/año En el siguiente gráfico se pretende mostrar de una manera más visual los porcentajes que representan cada uno de los costes anuales de la planta. Gráfica 1: Costes anuales de la EDARi Para finalizar el estudio económico, se pretende dar una idea, a grandes rasgos, de lo que suponen los costes invertidos en el diseño y mantenimiento de esta Estación Depuradora de Aguas Residuales Industriales, con respecto a los coches producidos. El coste total anual que le supone a la Empresa la Planta, quedaría amortizado con la venta de aproximadamente 12 coches en un año. El coste total anual que le supone a la Empresa la gestión de fangos, quedaría amortizado con la venta de aproximadamente 3 coches en un año. El precio del m3 de agua tratada le supone a la Empresa 0,45 euros. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es 51 DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 8. Bibliografía - Sainz Sastre J.A. “Procesos y operaciones unitarias en depuración de aguas residuales”. Colección EOI Medio Ambiente. 2005. - Politech. [en línea]: [Consulta: 27 de Junio de 2013] < http://www.politech.es/pdf/Preparador-de-poli-Politop.pdf> - Aquaplan. [en línea] [Consulta: 18 de Junio de 2013] <http://www.aquaplan.es/DOC/Autorizaciones_vertidos_residuales.pdf> - Mapfre. [en línea] [Consulta: 18 de Junio de 2013] <http://www.mapfre.com/ccm/content/documentos/cesvimap/ficheros/CFPreparacionSuperficiesE XTRACTO.pdf> EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA DEL SECTOR AUTOMÓVIL Master en Ingeniería y Gestión del Agua Promoción 2012 -2013 AUTORES: Clara Agustín Ingelmo Laura Ferrer Fernández Blanca Sabadell López De Arbina TUTOR: Juan Antonio Sainz Sastre Esta publicación está bajo licencia Creative Commons Reconocimiento, Nocomercial, Compartirigual, (bync-sa). Usted puede usar, copiar y difundir este documento o parte del mismo siempre y cuando se mencione su origen, no se use de forma comercial y no se modifique su licencia. Más información: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 2 Índice 1. Antecedentes ...............................................................3 2. Bases de diseño ............................................................4 2.1. Datos de partida .......................................................... 4 2.2. Límite del vertido ........................................................ 5 3. Proceso propuesto .........................................................6 3.1. Pretratamiento ........................................................... 6 3.1.1. Línea de aguas de desengrasado y fosfatación ............. 7 3.1.2. Línea de aguas crómicas ....................................... 8 3.1.3. Línea de aguas de cataforesis ................................. 9 3.2. Tratamiento conjunto - primera etapa .............................. 10 3.3. Tratamiento conjunto - segunda etapa .............................. 12 3.4. Línea de fangos .......................................................... 14 4. Resultados obtenidos .................................................... 15 4.1. Resumen del diseño de los equipos ................................... 15 4.1.1. Pretratamiento ................................................. 15 4.1.2. Tratamiento conjunto - primera etapa ..................... 17 4.1.3. Tratamiento conjunto - segunda etapa .................... 17 4.1.4. Línea de fangos ................................................ 18 4.2. Dosificación de reactivos ............................................... 19 4.3. Sistema de bombeo ..................................................... 19 5. Instrumentación y control .............................................. 20 6. Calidad del vertido final ................................................ 21 7. Estimación de costes .................................................... 21 ...................................................................................... EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 3 Objetivo del proyecto Una empresa automovilística ha decidido construir una nueva fábrica de coches en la comunidad autónoma de Cantabria, concretamente en la Bahía de Santander debido a la situación estratégica de su puerto. Las aguas residuales generadas en este tipo de procesos industriales contienen elevadas concentraciones de metales pesados que no pueden ser vertidas al colector municipal. Por ello la empresa se ha visto obligada a construir una planta de tratamiento de dichas aguas. El objetivo del presente proyecto consiste en el diseño del proceso de tratamiento de las aguas residuales generadas por esta industria automovilística. La planta que se diseña es una planta depuradora de aguas residuales industriales (EDARi). 1. Antecedentes Las industrias automovilísticas se encargan del diseño, desarrollo, fabricación, ensamblaje y comercialización de automóviles. Durante el proceso de producción se generan distintos tipos de aguas residuales. Estas aguas van a constituir la alimentación a la EDARi objeto de diseño. Estas aguas tienen diferentes orígenes y pueden ser clasificadas en tres grandes bloques: Aguas de desengrasado y fosfatación Estas aguas proceden del proceso de acondicionamiento de la chapa del vehículo. La chapa llega a la planta impregnada en grasas para su correcta conservación. Para comenzar el proceso de producción es necesario lavarla, generándose las aguas de desengrasado. Con el fin de proteger la chapa de la humedad y corrosión, en una primera etapa, es necesario sumergirla en un baño de ácido fosfórico, creándose una microcapa cristalina de fosfato. Las aguas de fosfatación proceden del lavado de la chapa una vez se le ha dado este baño protector. Aguas de crómicas Para conseguir una mejora en la adherencia y una mayor protección frente a la corrosión, se realiza un tratamiento de pasivado. En este proceso se emplea cromo hexavalente para rellenar los poros de la capa microcristalina que se ha formado en la fosfatación. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 4 Aguas de cataforesis Durante el proceso de cataforesis se completa la protección anticorrosiva de la carrocería. Para ello se emplea una pintura cataforética y corriente eléctrica. Las aguas de cataforesis proceden del lavado de la carrocería, necesario para eliminar los contaminantes (mayoritariamente plomo, níquel y cadmio) y los posibles restos del producto sobrante. 2. Bases de diseño Se espera que la EDARi trabaje durante 16 horas al día y 5 días a la semana. No obstante, en caso de que existan momentos punta de producción o si en un futuro es necesario ampliar un tercer turno de trabajo al día, la planta está preparada para absorber dichas variaciones debido a la presencia de los tanques de homogeneización-regulación situados en cabecera de planta, que se explicarán con posterioridad. 2.1. Datos de partida Los valores de diseño máximos y mínimos con los que se ha realizado el presente proyecto corresponden a valores medios recogidos de los datos de empresas líderes en el sector del automóvil Dichos datos de partida para cada tipo de agua residual quedan recogidos en las siguientes tablas: Tabla 1: Datos de partida aguas de desengrasado y fosfatación AGUAS DE DESENGRASADO Y FOSFATACIÖN Medio Máximo Caudal 25 30 pH 4 8 SS 1500 2500 ppm DBO 300 500 ppm DQO 1000 2500 ppm PO43- 100 150 ppm m3/h Tabla 2: Datos de partida de aguas crómicas AGUAS CRÓMICAS Medio Máximo Caudal 40 60 pH 3,5 5 SS 100 200 ppm DBO 300 500 ppm DQO 900 1400 ppm Cr6+ 50 120 ppm EOI Escuela de Organización Industrial m3/h http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 5 Tabla 3: Datos de partida de aguas de cataforesis AGUAS DE CATAFORESIS Medio Máximo Caudal 35 45 pH 8 8 SS 160 320 ppm DBO 200 300 ppm DQO 400 600 ppm Pb2+ 25 60 ppm Ni2+ 8 12 ppm 2+ 8 10 ppm Cd m3/h 2.2. Límite del vertido La legislación municipal sobre vertidos líquidos industriales al Sistema Integral de Saneamiento, establece unos valores máximos instantáneos de los parámetros de contaminación. Esta legislación prohíbe la dilución para conseguir niveles de concentración que posibiliten su evacuación al Sistema Integral de Saneamiento. La siguiente tabla recoge dichos valores límite, en base a los cuales se ha diseñado la planta: Tabla 4: Valores límite de los parámetros de contaminación según la legislación vigente PARÁMETRO VALOR UNIDADES Temperatura 40 ºC pH 6-10 DBO5 1000 mg/l DQO 1750 mg/l Sólidos suspensión 750 mg/l Conductividad 6000 µS/cm2 Metales pesados * 0,5 mg/l Fósforo total ** 40 mg/l * Este valor ha sido fijado por el municipio con el fin de que los fangos generados en la Estación Depuradora de Aguas Residuales Urbanas (EDARu) siguieran siendo útiles para emplear en agricultura. La industria automovilística ha aceptado la condición. ** Este valor ha sido fijado por el municipio con el fin de que la EDARu no se viera obligada a ampliar la zona de eliminación de fosfatos existente en la planta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 6 3. Proceso propuesto Para una mayor comprensión del proceso, se ha dividido el mismo en las siguientes partes: Pretratamiento o Línea de aguas de desengrasado y fosfatación o Línea de aguas crómicas o Línea de aguas de cataforesis Tratamiento conjunto – primera etapa: precipitación, coagulación-floculación y decantación Tratamiento conjunto – segunda etapa: precipitación, coagulación-floculación y decantación Línea de fangos Se procede a continuación a una descripción detallada de cada una de las diferentes partes. 3.1. Pretratamiento Como se ha explicado anteriormente, en las aguas existen distintos metales pesados en disolución, cada uno de ellos derivado de un proceso determinado. Debido a esto, es completamente necesaria la segregación de las corrientes contaminadas y su tratamiento independiente hasta que llegue un punto en el cual las condiciones de los diferentes procesos son idénticas y es posible realizar un tratamiento conjunto. Como se puede observar en las tablas de los datos de partida (Tablas 1, 2 y 3), existen valores punta que llegan a la planta en momentos puntuales y que son necesarios amortiguar, ya que la planta se ha diseñado de acuerdo con los valores medios de dichos parámetros. Cada corriente de agua llega a través de su colector correspondiente a los tanques de almacenamiento situados en cabecera de planta. Dichos tanques permanecen agitados mediante un sistema de aireación compuesto de difusores cerámicos. Estos tanques se han diseñado con un tiempo de retención de 24 horas, para garantizar dos objetivos fundamentales: Para garantizar la regulación del caudal y la homogeneización de la composición. Para asegurar que en caso de que exista alguna avería en la planta, ésta pueda ser solucionada en 24 horas y no existan problemas de vertidos de aguas con metales pesados al colector municipal. A partir de este momento, a estos tanques se les denominará tanques de homogeneizaciónregulación. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 7 A continuación se muestra el diagrama de flujo del proceso: Figura 1: Diagrama de flujo del proceso (sin tanques de dosificación de reactivos) 3.1.1 Línea de aguas de desengrasado y fosfatación Figura 2: Línea de aguas de desengrasado y fosfatación con su correspondiente tanque de homogeneizaciónregulación. Estas aguas no requieren un tratamiento previo, por ello se derivan directamente al tanque de precipitación conjunta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 8 3.1.2 Línea de aguas crómicas Figura 3: Línea de aguas crómicas con su correspondiente tanque de homogeneización-regulación. El cromo llega a la planta como cromo hexavalente, este contaminante posee una gran toxicidad, concretamente es 100 veces más tóxico que el cromo trivalente. Para su eliminación, el primer paso consiste en un proceso de reducción, en el cual el cromo hexavalente es reducido a cromo trivalente. Este proceso tiene lugar en el reactor redox, situado a continuación del tanque de homogeneización-regulación de las aguas crómicas. Para que la reacción de Cr+6 a Cr+3 tenga lugar se dosifica Bisulfito sódico, NaHSO3. Las reacciones redox que ocurren son las siguientes: Hidrólisis del Na2S2O5 utilizado como reactivo: Na2S2O5 + H2O 2 NaHSO3 Reducción del cromo hexavalente: 2 H2CrO4 + NaHSO3 + 3H2SO4 Cr2 (SO4)3 + 3 NaHSO4 + 5H2O En pH óptimo de la reacción de reducción del cromo hexavalente es 2,5, por ello es necesaria la dosificación de H2SO4, ya que estas aguas se encuentran a pH entre 5 y 3,5. El contenido de este reactor redox, con el cromo hexavalente reducido pasará al tanque de precipitación conjunta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 9 3.1.3 Línea de aguas de cataforesis Figura 4: Línea de aguas de cataforesis con su correspondiente tanque de homogeneización-regulación. Como se mostró con anterioridad, las aguas de cataforesis contienen plomo, níquel y cadmio. La precipitación del plomo se realizará en una primera etapa previa a la precipitación del resto de metales. Esto es debido a que la precipitación más adecuada para el plomo tiene lugar en forma de carbonato, debido al elevado producto de solubilidad del hidróxido (forma en la que van a precipitar el resto de metales). El proceso tendrá lugar en el reactor de precipitación, situado a continuación del tanque de homogeneización-regulación de las aguas de cataforesis. Para la precipitación se empleará carbonato sódico, Na 2CO3. Es necesario dosificar este reactivo en exceso para asegurar la precipitación total del plomo lo que da lugar a la precipitación secundaria del CaCO3, que se explicará posteriormente. La reacción que tiene lugar es la siguiente: Reacción de precipitación del plomo: Pb2+ + Na2CO3 PbCO3 + 2 Na+ El contenido de este reactor de precipitación, con el precipitado de plomo formado y el níquel y cadmio todavía en disolución, pasarán al primer tanque de precipitación conjunta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 10 3.2 Tratamiento conjunto – primera etapa Este tratamiento consta de distintos procesos: precipitación, coagulación-floculación y decantación. Figura 5: Esquema completo del tratamiento de primera etapa Una vez que el Cr+6 se redujo a Cr+3 y que el plomo precipitó en forma de carbonato, las tres líneas de agua se unen en el reactor de precipitación conjunta para continuar un proceso único. Este tanque se empleará, al mismo tiempo, como coagulador. Para llevar a cabo este proceso químico, se dosificará FeCl3 como coagulante y el reactor se mantendrá agitado vigorosamente para que tenga lugar la neutralización de los coloides y emulsiones que se puedan generar debido a las grasas de las aguas de desengrasado. Para que se produzca la precipitación del níquel, cadmio y de los fosfatos, es necesario añadir cal para llevar a cabo dos procesos conjuntamente: Garantizar que existen iones OH- en disolución para provocar la precipitación de los distintos metales en forma de hidróxidos y del fósforo en forma de fosfato cálcico. Ajustar el pH de entrada, pH = 4 hasta el pH objetivo, pH = 10,5. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 11 Los precipitados formados tienen lugar según las siguientes reacciones químicas: Reacción de precipitación del hidróxido de níquel: Ni2+ + 2OH- Ni (OH)2 Reacción de precipitación del hidróxido de cadmio: Cd2+ + 2OH- Cd (OH)2 Reacción de precipitación del fosfato cálcico: 2 PO43- + 3 Ca2+ Ca3 (PO4)2 Los precipitados anteriormente obtenidos son los precipitados de los metales pesados principales. Pero van a existir una serie de reacciones secundarias en las que la cal añadida ayudará a precipitar a los sulfatos (procedentes de la adicción de H 2SO4 y bisulfito sódico), carbonatos (procedentes de la precipitación del plomo) y el coagulante (FeCl3), generándose una serie de compuestos insolubles. La generación de estos precipitados secundarios va a conllevar a una mayor producción de fangos. De manera que es importante conocerlos para que el dimensionamiento de la línea de fangos sea el correcto. A continuación se explican la formación de dichos precipitados secundarios. Sulfato cálcico: En la reducción del cromo hexavalente se añadió H 2SO4 para el ajuste del pH y bisulfito sódico para que la reacción tuviera lugar. Este ion sulfato en disolución junto con los iones Ca2+ procedentes de la disociación de la cal van a generar sulfato cálcico, que precipitará, en parte, siguiendo la siguiente reacción: Reacción de precipitación del sulfato cálcico: SO42- + Ca+2 CaSO4 Carbonato cálcico: Como se explicó con anterioridad, el plomo es el único de los metales presentes que precipita en forma de carbonato. De manera que los iones carbonato en disolución junto con los iones Ca +2 procedentes de la cal añadida, precipitan formando CaCO 3 según la siguiente reacción: Reacción de precipitación de carbonato cálcico: CO32- + Ca+2 CaCO3 EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 12 Hidróxido férrico: El hidróxido férrico es un precipitado que se va a formar entre el coagulante y la cal. Reacción de precipitación del hidróxido de hierro: 2FeCl3 + 3 Ca (OH)2 2 Fe (OH)3 + 3CaCl2 Una vez llevadas a cabo todas las precipitaciones y la coagulación correspondiente, el siguiente paso en el proceso es la floculación. Gracias al floculante empleado, un polielectrolito comercial, la decantación posterior se verá favorecida. En el decantador, los precipitados formados y sólidos en suspensión presentes en el agua residual, decantan, obteniéndose unos lodos que se enviarán a la línea de fangos para su posterior tratamiento. 3.3 Tratamiento conjunto – segunda etapa Este tratamiento consta de distintos procesos: precipitación, coagulación-floculación y decantación. Figura 6: Esquema completo del tratamiento de segunda etapa EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 13 La existencia de este tanque es fundamental, puesto que todavía no se eliminó el cromo. En el tanque redox, como se explicó con anterioridad, se redujo el Cr+6 a Cr+3, de manera que en el agua a tratar existen Cr 3+ que se eliminarán en este segundo tanque de precipitación. La precipitación de cromo es independiente de la precipitación del resto de metales ya que el proceso ocurre a pH 8,5. Por ello, en este proceso hay que añadir ácido sulfúrico, para bajar el pH de 10,5 (pH del agua de entrada) a 8,5. La reacción de precipitación es la siguiente: Reacción de precipitación del hidróxido de cromo: 2 Cr3+ + 3 OH- 2 Cr (OH)3 En este mismo tanque se produce la coagulación, siguiendo el mismo proceso que en la coagulación anterior, aunque añadiendo una dosis menor de coagulante, ya que existen menos metales a eliminar. Tras esta coagulación se procede a la floculación. La dosificación del polielectrolito en este caso también es menor que en la floculación de primera etapa. En la decantación se elimina el hidróxido de cromo precipitado así como el hidróxido férrico, del mismo modo que en el tratamiento anterior. Ambos precipitados se envían a la línea de fangos para su posterior tratamiento. A modo de resumen, en la tabla que se muestra a continuación quedan detallados todos y cada uno de los precipitados, formados en las reacciones primarias y secundarias, que se forman en el proceso: Tabla 5: Relación de precipitados formados PRECIPITADOS PbCO3 Tipo de reacción de formación del precipitado Reacción primaria Pretratamiento aguas cataforesis Ni(OH)2 Reacción primaria Precipitación conjunta – 1ª etapa Cd(OH)2 Reacción primaria Precipitación conjunta – 1ª etapa Ca3(PO4)2 Reacción primaria Precipitación conjunta – 1ª etapa CaCO3 Reacción secundaria Precipitación conjunta – 1ª etapa CaSO4 Reacción secundaria Precipitación conjunta – 1ªetapa Fe(OH)3 Reacción secundaria Precipitación conjunta – 1ª y 2ª etapa Cr(OH)3 Reacción primaria Precipitación conjunta – 2ª etapa EOI Escuela de Organización Industrial Proceso en el que ocurre http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 14 3.4 Línea de fangos Figura 7: Línea de fangos Los fangos generados están clasificados como fangos peligrosos, ya que contienen metales pesados (sustancias químicas peligrosas). El tratamiento de fangos se realiza principalmente para reducir su volumen y por consiguiente, la manipulación y evacuación de la planta será más sencillo y económico. La línea de fangos consiste en los siguientes procesos: Espesado por gravedad: Consiste en la eliminación de parte del agua de los fangos, además, se consigue aumentar la concentración de los lodos del 2% al 7%. Deshidratación: El objetivo es alcanzar una sequedad adecuada para que los fangos se encuentren en fase sólida y puedan ser evacuados a vertedero de seguridad. Debido a que los fangos son peligrosos es necesario alcanzar una sequedad elevada con el fin de disminuir los costes económicos de vertedero. La deshidratación se lleva a cabo con un filtro prensa, consiguiéndose una sequedad del orden del 50%, siendo éste el único método que alcanza dicha sequedad. El agua procedente de los procesos de espesado y deshidratación, se deriva al tanque de tratamiento conjunto de primera etapa. Una vez deshidratados, los fangos se almacenan en una tolva de 35 m3, siendo éstos evacuados de la planta cada 3-4 días. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 15 4. Resultados obtenidos 4.1 Resumen del diseño de los equipos A continuación se detallan las dimensiones y datos relevantes de los equipos del proceso. 4.1.1. Pretratamiento Los equipos empleados en el pretratamiento son: tanques de homogeneización-regulación con sus correspondientes sistemas de agitación por aireación, reactor redox de aguas crómicas y tanque de precipitación del plomo. Tanques de homogeneización-regulación y sistema de aireación: Los tres tanques son rectangulares de igual longitud y altura (20 metros y 5.3 metros respectivamente), con el fin de facilitar la obra civil. El volumen se sobredimensiona en un 20% para garantizar la seguridad y la altura en 30 cm de nivel libre. Tabla 6: Dimensionamiento del tanque homogeneización-regulación de las aguas de desengrasado y fosfatación AGUAS DE DESENGRASADO Y FOSFATACIÓN Volumen real 765 m3 Superficie real 120 m2 Anchura adoptada 6 m Tabla 7: Dimensionamiento del tanque homogeneización-regulación de las aguas crómicas AGUAS CRÓMICAS Volumen real 1272 m3 Superficie real 200 m2 Anchura adoptada 10 m Tabla 8: Dimensionamiento del tanque homogeneización-regulación de las aguas de cataforesis AGUAS DE CATAFORESIS Volumen real 1145 m3 Superficie real 180 m2 Anchura adoptada 9 m El sistema de aireación consiste en una soplante (+1 de reserva), que proporciona aire a los tres tanques de homogeneización-regulación mediante unos difusores cerámicos de burbuja media con una capacidad de 4 m3 aire por difusor/h. El aire tiene que vencer la pérdida de carga que sufre en la tubería, en los difusores y debido a la altura de la lámina de agua. Se han considerado, en todos los casos, 8 m.c.a de pérdida de carga. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 16 Tabla 9: Sistema de aireación aguas de desengrasado y fosfatación SOPLANTE AGUAS DESENGRASADO Y FOSFATACION Caudal 40 m3/h Nº difusores por tanque 200 unidades Filas 10 filas Columnas 20 columnas Tabla 10: Sistema de aireación aguas crómicas SOPLANTE AGUAS CRÓMICAS Caudal 25 m3/h Nº difusores por tanque 320 unidades Filas 16 filas Columnas 20 columnas Tabla 11: Sistema de aireación aguas de cataforesis SOPLANTE AGUAS DE CATAFORESIS Caudal 35 m3/h Nº difusores por tanque 280 unidades Filas 14 filas Columnas 20 columnas Reactor redox: este tanque es cúbico y lleva incorporado un sistema de agitación mecánico. Tabla 12: Dimensionamiento del reactor redox REACTOR REDOX Volumen reactor 27 m3 Altura adoptada 3 m Tanque de precipitación del plomo: El tanque es cúbico y lleva incorporado un sistema de agitación mecánico. Tabla 13: Dimensionamiento del tanque de precipitación del plomo TANQUE DE PRECIPITACIÓN DEL Pb Volumen 8 m3 Altura adoptada 2 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 17 4.1.2. Tratamiento conjunto – primera etapa Los equipos son: tanque de precipitación conjunta-coagulador, floculador y decantador. Tanque de precipitación conjunta y coagulador: Es cúbico y lleva incorporado un sistema de agitación mecánico vigoroso. Tabla 14: Dimensionamiento del tanque de precipitación conjunta TANQUE DE PRECIPITACIÓN CONJUNTA Volumen 27 m3 Altura adoptada 3 m Floculador: El tanque es cúbico y con sistema de agitación mecánico lento. Tabla 15: Dimensionamiento del floculador de primera etapa FLOCULADOR Volumen 43 m3 Altura 3,5 m Decantador: tanque de sección circular. Tabla 16: Dimensionamiento del decantador de primera etapa DECANTACION Volumen 427 m3 Diámetro adoptado 12 m Altura adoptada 3,75 m 4.1.3. Tratamiento conjunto – segunda etapa Constituido por: tanque de precipitación, floculador y decantador. Tanque de precipitación y coagulador: Posee sección cúbica y un sistema de agitación mecánico vigoroso. Tabla 17: Dimensionamiento del tanque de precipitación TANQUE PRECIPITACIÓN Volumen real 5,4 m3 Altura adoptada 1,75 m EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 18 Floculador: Tanque de sección cúbica con sistema de agitación mecánico lento. Tabla 18: Dimensionamiento del floculador de segunda etapa FLOCULADOR Volumen 43 m3 Altura 3,5 m Decantador: tanque de sección circular. Tabla 19: Dimensionamiento del decantador de segunda etapa DECANTADOR Volumen 427 m3 Diámetro adoptado 12 m Altura adoptada 3,75 m 4.1.4. Línea de fangos La línea de fangos consta de un espesador por gravedad, filtro prensa y tolva de almacenamiento. Los fangos recogidos en los decantadores se resumen en la siguiente tabla: Tabla 20: Fangos generados diariamente FANGOS GENERADOS Precipitados 1019 Kg/día Sólidos en suspensión 746 Kg/día Espesador por gravedad: Posee sección circular. Tabla 21: Dimensionamiento del espesador ESPESADOR Volumen 115 m3 Diámetro adoptado 6 m Altura 4 m Como se explicó anteriormente, una vez deshidratados los fangos, éstos se almacenan en una tolva de 35 m3, siendo evacuados de la planta cada 3-4 días. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 19 4.2 Dosificación de reactivos En la siguiente tabla se detallan las dosificaciones de cada reactivo necesario en el proceso, teniendo en cuenta que estas cantidades deben dosificarse diluidas al 10%, excepto el polielectrolito que se prepara al 0,1%. Las bombas dosificadoras correspondientes a cada reactivo están ajustadas a estos valores. Tabla 22: Dosificación de reactivos puros DOSIFICACIÓN DE REACTIVOS Reactivo empleado Consumo (Kg/h) Proceso NaHSO3 3,9 Reducción cromo hexavalente H2SO4 5,3 Ajuste de pH Na2CO3 4,5 Precipitación plomo Ca(OH)2 10,8 Precipitación metales y ajuste de pH FeCl3 15 Coagulación Polielectrolito 0,7 Floculación Dosificación de reactivos: Se preverá un tanque nodriza para el ácido sulfúrico y otro para el cloruro férrico (al 35%) puros, con un consumo de 15 días. El bisulfito sódico, carbonato sódico y cal, al ser sólidos se almacenarán como tal. El polielectrolito se compra en forma de tambores, que servirán de repuesto al equipo automático empleado para su preparación. Para la dosificación de los distintos reactivos en los tanques correspondientes existen tanques de dosificación diarios, donde los reactivos estarán diluidos al 10%. 4.3 Sistema de bombeo El sistema de bombeo se compone de tres bombas de agua bruta (+3 en reserva) situadas a continuación de cada tanque de homogeneización-regulación, y dos bombas de fangos (+2 en reserva), situadas a la salida de cada decantador. El objetivo de las bombas de agua bruta es impulsar el agua a la altura correspondiente para que el resto del proceso pueda ocurrir por gravedad. Estas bombas se han diseñado para superar una pérdida de carga de 6 m.c.a. Por otro lado, el bombeo de fangos es necesario para facilitar la llegada de los mismos a los equipos de tratamiento. Estas bombas se han diseñado para superar 20 m.c.a de pérdida de carga. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 20 5. Instrumentación y control de la planta Para llevar a cabo un seguimiento de todos los procesos de la planta y garantizar su correcto funcionamiento, se controlarán una serie de variables: Caudal: Se controla después de los tanques de homogeneización-regulación de cada línea de agua y en la línea de fangos a la salida de los decantadores. Presión: Se mide después de cada las bombas centrífugas y dosificadoras. Nivel: Se controla en los tanques de homogeneización-regulación para no dañar la bomba en caso de quedarse sin agua, y en los tanques de dosificación de los reactivos. pH: Se controla para garantizar que las reacciones de precipitación se han completado, para el ajuste del pH en caso de que sea necesario y a la salida de la planta. Potencial Redox: Se mide para garantiza que la reacción redox ha llegado a su fin. A continuación se muestra el diagrama de instrumentación y control de la planta: Figura 8: Esquema del diagrama de instrumentación y control de la planta EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 21 6. Calidad del vertido final De acuerdo a la Ley citada anteriormente, se puede garantiza que tras la depuración de las aguas, el vertido de la EDARi a colector municipal cumple con los requisitos establecidos. Además de la eliminación de los metales pesados a unas concentraciones muy inferiores a las necesarias, se consigue la eliminación de gran parte de DBO 5, DQO y sólidos en suspensión presentes en las aguas. Teniendo en cuenta el rendimiento para DBO 5 y SS de un 20% y un 90% respectivamente, en los decantadores de primera y segunda etapa, los valores de salida para ambos parámetros se muestran a continuación. Tabla 23: Calidad del vertido de la EDARi a colector municipal CALIDAD DE VERTIDO DBO5 170 ppm Sólidos en suspensión 5 ppm Metales pesados <0,5 ppm 7. Estimación de los costes Las siguientes tablas muestran los distintos aspectos tenidos en cuenta para la estimación de los costes: Tabla 24: Costes anuales de personal PERSONAL 2 operarios 48.000 euros/año 1 jefe de planta 36.000 euros/año Total 84.000 euros/año Tabla 25: Costes anuales de la energía eléctrica ENERGÍA ELÉCTRICA KW/h Euros/año Bombas centrífugas 30 685 Bombas dosificadoras 2 754 Soplantes 5 1920 Agitadores 1,5 548 Filtro prensa 12,5 4800 Tolva 0,75 274 Cinta transportadora 1 411 Iluminación de equipos 10 939 Total 24.096 Euros/año EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es DISEÑO DE UNA EDARI DE UNA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA Clara Agustín, Laura Ferrer y Blanca Sabadell 22 Tabla 26: Costes anuales de los reactivos químicos REACTIVOS kg/año Euros/año Bisulfito sódico 15.230 15.230 Ácido sulfúrico 20.631 8.252 Carbonato sódico 18.048 4.512 Cal 67.858 6.785 Cloruro férrico 170.227 42.556 Polielectrolito 2.688 6.720 Total 83.790 Euros/año Tabla 27: Costes anuales del transporte y gestión de los fangos TRANSPORTE Y GESTIÓN DE FANGOS Total Euros/kg kg/año 0,15 423.523 63.528 Euros/año Además existen unos costes de explotación y mantenimiento, que se han estimado en aproximadamente 60.000 Euros/año. Teniendo en cuenta los costes calculados, se deduce que el coste anual total es el siguiente: Tabla 28: Costes anuales totales COSTE ANUAL TOTAL Costes Coste de explotación y mantenimiento COSTE ANUAL TOTAL 241.655 Euros/año 60.000 Euros/año 315.655 Euros/año En el siguiente gráfico se muestra de manera más visual los porcentajes que representan cada uno de los costes anuales de la planta. EOI Escuela de Organización Industrial http://www.eoi.es
