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Eliminación de NOx (óxidos de nitrógeno)

Los óxidos de nitrógeno son extremadamente perjudiciales

La contaminación atmosférica constituye una grave amenaza para la salud en la mayoría de zonas del planeta. De acuerdo con una evaluación de la carga de morbilidad debida a la contaminación ambiental realizada por la OMS, cada año se producen más de 7 millones de muertes prematuras atribuibles a los efectos de la contaminación urbana. Además, no es un problema exclusivo de los países más desarrollados, si no que más de la mitad de dicha carga recae sobre la población de los países en desarrollo.

Los óxidos de nitrógeno no son los únicos causantes de la contaminación atmosférica, pero sí son de los principales contaminantes en importancia.

Los óxidos de nitrógeno son dos gases de nitrógeno diferentes: óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). El término NOX hace referencia a la combinación de los gases debido a las facilidades de interconversión mutua que presentan en presencia de oxígeno. Aunque desde un punto formal, el término general de los óxidos de nitrógeno, engloba los siguientes compuestos:

  • NO
  • NO2
  • N2O2
  • N2O4

  • N2O
  • N2O3
  • N2O5
  • NO3 (siendo éste último inestable)

Aunque gran parte de los NOX son de origen natural, una importante fracción de NOX se debe a procesos antropogénicos. Las fuentes artificiales más importantes corresponden al transporte (70%) y a la industria (25%). Los procesos industriales que generan NOX en mayor cantidad son los dedicados a la producción de energía, a la combustión de carbón, petróleo o gas natural y los procesos de galvanoplastia y grabado de metales. El NO y el NO2 se forman en los procesos en los que, en presencia de nitrógeno y oxígeno del aire, se alcanzan temperaturas superiores a les 1200 ºC.

Los óxidos de nitrógeno tienen todos en común que son gases contaminantes, por lo que sus emisiones tienen especial incidencia sobre el medio ambiente. Los principales efectos que causan son:

  • La destrucción del ozono estratosférico
  • Contribución al efecto invernadero
  • La producción de lluvia ácida
  • La generación de Smog fotoquímico

Por todo ello, es totalmente necesario, en primer término, minimizar su producción. Y, posteriormente, eliminar los óxidos de nitrógeno que su generación no se ha podido prevenir. El objetivo de minimizar su generación puede ser alcanzado siguiendo tres estrategias diferentes:

  • Reduciendo la temperatura de operación
  • Reduciendo el tiempo de residencia de los gases, especialmente el nitrógeno, en la zona de combustión, donde existen elevadas temperaturas
  • Disminuyendo la relación oxígeno-combustible. Al reducir el exceso de oxígeno, se disminuye considerablemente la generación de NOX

No obstante, es imposible evitar completamente la generación de óxidos de nitrógeno y para cumplir con la normativa, que cada vez es más exigente, se deben utilizar técnicas que permitan eliminar los NOX generados. Las técnicas más utilizadas para este propósito son:

Absorción mediante reacción química

Esta técnica consiste en la absorción de los NOX mediante una reacción química en fase líquida. El reactivo mayormente utilizado para su absorción es el ácido sulfúrico. Éste reacciona con los óxidos de nitrógeno para formar la especie HSO4NO (ácido nitrosilsulfúrico), la cual permanece en la fase líquida. En condiciones de elevada presión (2 atm) y baja temperatura (35 ºC) los NOX quedan absorbidos en la fase líquida. En cambio, se puede revertir el proceso a elevada temperatura (180ºC) y baja presión (0,5 atm); en estas condiciones, se separa la molécula nitrogenada (ahora ácido nítrico por la presencia del agua) del ácido sulfúrico, el cual se puede reutilizar.
Este proceso presenta la desventaja de que se deben manipular reactivos químicos corrosivos y peligrosos a la vez que se requiere espacio físico para albergar el proceso. Las eficacias conseguidas no son elevadas, por lo que la técnica es recomendable para bajas cargas de NOX.

Reducción mediante reacción selectiva no catalítica (SNCR)

Esta técnica permite la reducción de emisiones de óxidos de nitrógeno mediante su conversión en nitrógeno gas vía una reacción química no catalítica. Para llevar a cabo esta conversión, sin la presencia de ningún catalizador, es necesario subir la temperatura dentro del rango 850-1100 ºC. La temperatura de operación depende directamente del agente reductor que se utilice, siendo los más utilizados amoníaco o urea.
Esta técnica se suele utilizar en pequeñas calderas industriales, ya que en instalaciones de mayor tamaño se disparan los costes de trabajar en este rango de temperaturas. El equipo de SNCR no requiere un gran espacio y es de fácil instalación y operación. No obstante, la eficiencia de reducción que se alcanza es moderada, hecho que hace que sea una técnica válida para aquellos casos en que las emisiones de óxidos de nitrógeno sean bajas.

Reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR)

Esta técnica se basa en un proceso catalítico en el que se reducen de forma selectiva los óxidos de nitrógeno en presencia de un catalizador mientras que el agente reductor (amoníaco o urea) se oxida a nitrógeno gas. El hecho de que la reacción se lleve a cabo sobre la superficie del catalizador hace posible que la temperatura necesaria esté comprendida en el rango 250-450 ºC. La temperatura de operación acabará dependiendo de varios factores, siendo el catalizador utilizado uno de los parámetros claves.

El agente reductor, a la práctica, puede ser una disolución acuosa de amoníaco, amoníaco licuado o bien una disolución acuosa de urea. De todas ellas, la utilización de amoníaco licuado es la opción más económica, hecho que se traduce en unos costes de operación inferiores. Pero por otra banda, la manipulación de amoníaco licuado es mucho más compleja, debido a sus características, que el de una solución acuosa de amoníaco o de urea. El uso, almacenamiento y transporte de amoníaco licuado está sujeto a la Directiva 96/82/CE (Directiva Seveso II) y debe ser utilizado siguiendo un estricto protocolo de seguridad, debido al riesgo que supone el hecho de ser muy corrosivo y explosivo en presencia de oxígeno.

A nivel de operación, como mayor sea la relación NH3/NOX alimentada, mayor será la eficiencia conseguida. No obstante, también aumentará la cantidad de amoníaco que no ha reaccionado y que se desaprovecha en la corriente de gases. Esta pérdida de amoníaco sin reaccionar debe ser minimizada, ya que éste reacciona en presencia de agua con el SO3, para producir bisulfato de amonio (NH4HSO4), el cual es corrosivo y produce el ensuciamiento de las instalaciones. La clave de una operación óptima es la alimentación de amoníaco en tal mesura que se consiga un buen rendimiento a la vez que se minimiza la cantidad de amoníaco no reaccionado.

La elección del catalizador es determinante en el proceso, ya que influye en parámetros claves como son la temperatura de operación y la extensión de la reacción. Existen cuatro materiales diferentes utilizados como catalizadores:

  1. Óxidos metálicos (de vanadio, tungsteno, molibdeno o cromo) sobre base de dióxido de titanio (TiO2)
  2. Zeolitas
  3. Óxidos de hierro envueltos por una fina capa de fosfato de hierro
  4. Carbono activo

La elección del catalizador también condiciona directamente los costes de operación, ya que no todos tienen las mismas propiedades, coste y vida útil.

Las principales ventajas de la tecnología SCR se basan en el rendimiento de eliminación de NOX, que es muy elevado, además de que se transforman los NOX en nitrógeno gas sin producir ningún subproducto ni residuo.

técnicas para la eliminación de los NOx

Resumen de las principales diferencias entre las técnicas descritas para la eliminación de los NOx.

 

Así pues, la emisión de óxidos de nitrógeno debe ser controlada al estar estrictamente regulada por la normativa vigente. El primer paso para su control es la minimización de la producción de estos gases. La producción que no se pueda prevenir, deberá ser correctamente tratada antes de liberar el resto de gases a la atmósfera. Para la eliminación de los NOX la técnica más eficiente es la reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR).

La urea

Tal como hemos comentado la urea se utiliza como agente reductor para eliminar los óxidos de nitrógeno (NOx) mediante SCR y SNCR, esta ilustración* muestra el aspecto de una molécula de urea. La urea se utiliza también como aditivo en vehículos con motor de combustión para neutralizar en la medida de lo posible sus propias emisiones.
*(crédito 3dchem.com)

Molécula de urea

Utilización del biogás en pilas de combustible

Usaremos los residuos como fuente de energía sostenible

El crecimiento económico está basado en un uso cada vez mayor de energía, hecho que obliga a la búsqueda de energías más sostenibles. Las energías renovables tradicionales están dejando paso a nuevos sistemas de generación de energía, aún a día de hoy en un estado emergente, pero que tienen un gran potencial y pueden convertirse en la base del sistema energético del siglo XXI.

Una de estas fuentes de energía está basada en la utilización del hidrógeno para la obtención de energía eléctrica y energía térmica. Las dos ventajas principales que a priori ofrece el uso del hidrógeno como fuente de energía son que: (1) su combustión no contamina, tan sólo genera agua, y (2) es inagotable.

No obstante, aunque la disponibilidad de hidrógeno esté asegurada, se trata de un elemento que no se encuentra en estado puro en la Tierra y que, por tanto, se necesitan tecnologías capaces de generarlo de forma eficiente. El hidrógeno se puede encontrar en la naturaleza, combinado, formando parte del agua, de los combustibles fósiles y de la materia orgánica. Se puede obtener hidrógeno del agua descomponiendo ésta mediante el uso de electricidad, proceso conocido como electrólisis. También se puede obtener hidrógeno a partir de los combustibles fósiles a través del proceso de reformado, en el cual mediante el uso de un catalizador, agua y energía se transforma el combustible fósil en hidrógeno y CO2. Por último, también se puede obtener hidrógeno de la biomasa. Ésta puede ser tratada mediante un proceso de biometanización para producir biogás, y posteriormente el metano convertido en hidrógeno a través del proceso de reformado. La principal diferencia entre la obtención del hidrógeno del biogás, o bien de los combustibles fósiles, reside en el hecho de que el CO2 producido en el caso del biogás no supone un aumento de emisiones a la atmosfera, puesto que previamente ya se encontraba en la atmosfera y fue fijado por las plantas, mientras que el CO2 generado en la utilización de los combustibles fósiles es una contribución neta de emisiones productoras del efecto invernadero.

El uso potencial de las pilas de combustible para la obtención de energía se basa en el consumo del hidrógeno producido a partir del biogás procedente de la biometanización de biomasa, de la fracción orgánica de los RSU, de los subproductos carbonatados de la industria, etc. Después de eliminar los contaminantes presentes, generalmente el metano debe ser concentrado y después sometido a un proceso de reformado para la obtención del hidrógeno que se alimentará a la pila de combustible. El reformado no es preceptivo en todos los casos, puesto que cierto tipo de pilas de combustible pueden funcionar con alimentación de metano directamente (en realidad, la pila incorpora internamente su reformador).

La pila de combustible es el sistema que transforma, vía un proceso electroquímico, el hidrógeno en energía eléctrica y en energía térmica. Aunque en función del tipo de pila existen numerosas diferencias, todas se basan en la utilización de dos electrodos conductores separados por un electrolito iónico (celda electroquímica). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan, por separado, cada uno en un electrodo diferente. En el ánodo, una molécula de hidrógeno produce dos protones y dos electrones. Simultáneamente, en el cátodo reaccionan cuatro protones, cuatro electrones y una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Tanto los protones como los electrones se forman en el ánodo y migran hacia el cátodo. Pero mientras los protones se abren paso a través del electrolito, los electrones pasan por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica. De este modo el hidrógeno se combina con el oxígeno para dar agua sin que lleguen a entrar en contacto.

En cuanto a los elementos que constituyen la pila de combustible, cabe destacar el conjunto de monoceldas, llamado stack, necesario para obtener una potencia mayor, un sistema que haga posible el suministro y evacuación de los gases y un mecanismo que disipe la energía calorífica formada. Existen diferentes tipos de pilas de combustible y el elemento diferenciador es el tipo de electrolito utilizado. Se pueden encontrar:

  • Pilas de combustible poliméricas (PEMFC)
  • Pilas de combustible alcalinas (AFC)
  • Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
  • Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)
  • Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC)
  • Pilas de combustible de metanol directo (DMFC)

En la tabla se resumen las características de cada tipo de pila de combustible.

biogas en pilas de combustible

Las pilas de combustible son un sistema interesante para aprovechar el biogás generado por varias razones. Primeramente, presentan mayor eficiencia que otras tecnologías de conversión de la energía. Mientras que los motores de combustión tienen una eficiencia eléctrica de 35%-40% y las microturbinas de 25%-30%, las pilas de combustible actualmente ofrecen una eficacia eléctrica cercana al 50%. Además, no producen ningún tipo de contaminación, ya que ni generan gases contaminantes ni tampoco ruido ambiental. También supone una ventaja su naturaleza modular, pues se varía la escala añadiendo o retirando módulos independientes. Finalmente, se debe destacar su elevada flexibilidad de operación. Una pila de combustible puede operar a elevado rendimiento y de forma continuada en un amplio rango de potencias. Uno de los requisitos indispensables para la utilización de la pila de combustible es disponer de un biogás libre de contaminantes. Hecho que no es un problema grave pues las tecnologías actuales de tratamiento del biogás son robustas, eficaces y económicas.

No obstante, para que el uso de la pila de combustible sea competitivo económicamente, se deben mejorar aspectos como la eficacia eléctrica –actualmente se sitúa sobre el 50% y aún tiene margen de mejora–, así como la durabilidad y el coste de las pilas.


 

Cada día se está más cerca de la profecía que Julio Verne lanzó en 1875 en su novela “La isla misteriosa”:

residuos orgánicos para combustible de automoción

Residuos orgánicos para combustible de automoción.
Créditos: ©1985 “Back to the Future” Universal Pictures

Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calentaremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro.

Todavía no estamos ni tan siquiera cerca de una solución autotransportada que aproveche directamente cualquier residuo orgánico tal como en cine nos sugirió con “Regreso al futuro” en la forma de un Delorean convertido en máquina del tiempo que permitía introducir directamente en el “depósito” todo tipo de desperdicios que serían el combustible del reactor de fusión que se supone era la planta motriz del susodicho vehículo venido de un hipotético futuro.

Por el momento tenemos que conformarnos con producir hidrógeno de forma económica y sostenible y tal como hemos estado explicando anteriormente, conseguir llevar las pilas de combustible a un techo de eficiencia superior que permita conseguir las prestaciones y autonomía de los más avanzados motores de combustión.

Condorchem ayuda a la industria

Desde Condorchem podemos ayudar a la industria a obtener biogás a partir de residuos orgánicos, ya sea para su combustión en sistemas de cogeneración como para fraccionarlo en hidrógeno, metano y resto de componentes.

Consúltenos

Vertido cero. Concepto y tecnología.

La inmensa mayoría de actividades industriales generan efluentes líquidos, en mayor o menor cantidad, que deben ser gestionados correctamente por la carga contaminante que contienen. Estos efluentes se generan cuando se utiliza el agua para refrigerar o calentar, en las limpiezas de los equipos, dentro del propio proceso, etc.

La normativa medioambiental es cada vez más restrictiva y generalmente no permite que los efluentes líquidos puedan ser vertidos sin un tratamiento previo. La solución convencional pasa por instalar una serie de procesos físico-químicos y/o biológicos que tratan el agua lo necesario para conseguir cumplir la normativa de vertido. No obstante, existe un gran número de situaciones donde el efluente tratado, o no puede ser vertido por razones geográficas, o requiere un esfuerzo económico elevado conseguir que el efluente sea evacuado. En otras situaciones, cuando se producen efluentes líquidos de naturaleza compleja, los sistemas de tratamiento convencionales necesarios no son competitivos a nivel económico. Ante estos escenarios, el concepto de vertido cero se está forjando como la opción más sostenible a nivel ambiental y, en muchas ocasiones, también a nivel económico.

El concepto de vertido cero se basa en el uso de técnicas y procesos que hacen posible la reutilización de la totalidad de las aguas residuales con un doble objetivo: (1) reducir al máximo el consumo de agua de red, y (2) minimizar la cantidad de residuos que deben ser gestionados externamente. Las ventajas de la aplicación de esta filosofía, en relación a la solución convencional, son numerosas, destacando especialmente las siguientes:

  • Ahorro en el consumo de agua de red.
  • Reducción radical de la cantidad de residuos a gestionar externamente.
  • Mejora de la imagen corporativa por la sensibilidad ambiental que demuestra la implantación de este sistema.
  • Facilidad para la posterior implantación de un sistema de gestión medioambiental.
  • Ahorro económico en la gestión de residuos externa.
  • Ahorro económico en la fiscalidad del vertido.
  • Ahorro económico en posibles sanciones administrativas por no adecuación del vertido a la normativa.
  • Flexibilidad del sistema en cuanto a cambios en la composición.
  • Necesidad de poco espacio, pues son sistemas compactos.
  • Simplicidad de explotación.
  • Alto grado de automatización.
  • No necesidad de personal técnico especializado.
  • Bajo coste de personal.
  • Ahorro en el consumo de reactivos químicos.
  • Elevado nivel de autosuficiencia en el consumo de agua.
  • Posibilidad de aprovechar calores residuales de otros procesos, disminuyendo extraordinariamente los costes de explotación.

La implantación de un sistema de gestión basado en el concepto de vertido cero supone el tratamiento de todos los efluentes líquidos cuanto sea necesario hasta que su calidad permita su introducción de nuevo en el proceso, de modo que el rechazo final sea mínimo. Las tecnologías utilizadas para concentrar y minimizar el efluente final se pueden clasificar en tecnologías de membranas y tecnologías de separación térmica. Las primeras, que suelen ser unidades de microfiltración y ultrafiltración como pretratamiento previo y procesos como la nanofiltración y la ósmosis inversa las que consiguen recuperar en torno al 80% del agua, permiten concentrar la contaminación en una corriente líquida de rechazo a la vez que producen un agua de elevada calidad. Las tecnologías de separación térmica, habitualmente evaporadores de vacío y cristalizadores, se centran en concentrar el rechazo de las técnicas de membrana produciendo agua destilada, reutilizable en el proceso, y un residuo sólido seco, haciendo posible el objetivo de no producir finalmente ningún tipo de vertido. Concretamente, la evaporación al vacío es una tecnología que aúna la capacidad de reducir al máximo el vertido, con criterios de eficacia, robustez y sostenibilidad. Es por este motivo que es un equipo prácticamente imprescindible en la implantación de un sistema de gestión de vertido cero. Cuando interesa que el único residuo sea un sólido seco, la evaporación al vacío se utiliza seguido de un cristalizador, el cual cristaliza el residuo del evaporador.

El campo de aplicación de este sistema de gestión es tan amplio como el número de actividades diferentes que generan efluentes líquidos, con alguna pequeña limitación. En la tabla se resumen las actividades en las que el sistema de gestión de vertido cero es especialmente útil y ventajoso.

aguas residuales industriales

Pese a la versatilidad en cuanto a la naturaleza de la contaminación de este sistema de gestión, no lo es tanto en relación a la cantidad de caudal a tratar. Para vertidos elevados (caudales superiores a 50 m3/h) no es una tecnología competitiva. También se debe tener en cuenta que, cuando el efluente es rico en componentes volátiles, el destilado debe ser post-tratado para que pueda ser reutilizado. Y este proceso incrementa sensiblemente la inversión inicial.

tecnologías para vertido cero

MF: microfiltración; UF: ultrafiltración; EDR: electrodiálisis reversible.

En el gráfico se observa el ciclo virtuoso que representa el concepto de vertido cero. No en todos los casos son necesarios todos los procesos representados. Los procesos de membrana (MF, UF, EDR y OI) generan una elevada cantidad de agua apta para ser reutilizada. Y los procesos térmicos (evaporación y cristalización) tratan los rechazos producidos en los procesos anteriores, produciendo más agua apta para ser reutilizada y un residuo final sólido y seco.

Así pues, el sistema de gestión de vertido cero es un sistema robusto, útil y eficaz en todos los casos, y especialmente ventajoso para el tratamiento de efluentes líquidos complejos, separando el agua en lugar de separar los contaminantes. Al estar basado en procesos físicos, y no químicos, el ámbito de aplicación es muy amplio. Los contaminantes son concentrados y finalmente reducidos a un residuo seco, hecho que hace posible que su gestión sea fácil y económica, mientras que el agua es reutilizada en el proceso.

Caracterización del agua residual

Caracterización de aguas residualesCuando se requiere tratar un importante caudal de aguas residuales, la primera alternativa que generalmente conviene considerar es la utilización de un proceso biológico, puesto que es uno de los tratamientos completos más económicos y la cantidad de residuos que se generan es relativamente baja. No obstante, será decisivo conocer la naturaleza de la contaminación presente en el agua para evaluar la idoneidad de un tratamiento u otro, puesto que éstos son muy selectivos en cuanto al tipo de contaminación que eliminan.

Para conocer el tipo de contaminación es necesario llevar a cabo una caracterización del agua residual, la cual proporciona una amplia variedad de información sobre el tipo y la concentración de los contaminantes. Los parámetros que deberán ser analizados, a parte de los generales como pH y conductividad, serán los que den idea del contenido de materia orgánica, nutrientes (nitrógeno y fósforo), sólidos en suspensión, alguno relacionado con la toxicidad de las aguas residuales en relación a los microorganismos, además de los más específicos y relacionados con el tipo de actividad que genera el efluente (metales, tensioactivos, sulfatos, cianuros, etc.).

Para conocer la cantidad de materia orgánica que los microorganismos son capaces de asimilar, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) ha sido un parámetro muy utilizado a la hora de caracterizar las aguas residuales, aunque es poco preciso (la aclimatación de los microorganismos al agua residual influye en la medida), de determinación lenta (se requieren al menos 5 días para realizar la medida) y no es práctico para su utilización en la gestión de las plantas de tratamiento. En contrapartida, la demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro preciso, de rápida obtención, que mide toda la materia orgánica del agua (la biodegradable y la no biodegradable), por lo que es el mayormente empleado. Pero, precisamente porque mide toda la materia orgánica, a la hora de conocer mejor el efluente que se desea tratar, es una información necesaria pero no suficiente. Para realizar una caracterización completa y profunda del efluente, junto a los parámetros citados, se deberá llevar a cabo un fraccionamiento de la DQO, que aportará información del efluente en términos de las diferentes velocidades de degradación de las distintas fracciones de DQO.

Las fracciones de la DQO con las que se acostumbra trabajar son las mismas que emplean los modelos de lodos activados de la International Association of Water Quality (IAWQ) y son las siguientes:

  • DQO fácilmente biodegradable (DQOfb). Esta fracción, que se asimila a la DQO soluble en el agua, es la que la biomasa consume más rápidamente (en pocos minutos), generando una rápida y elevada demanda de oxígeno. Los compuestos que conforman esta fracción son sustancias solubles, de bajo peso molecular, como es el caso de los azúcares, alcoholes y ácidos grasos.
  • DQO lentamente biodegradable (DQOlb). Esta fracción se relaciona con la DQO biodegradable no soluble, o particulada, y habitualmente es la fracción biodegradable mayoritaria. Está formada por moléculas solubles de elevado peso molecular, sustancias coloidales y partículas sólidas. Todas ellas tienen en común que no son de fácil degradación por la biomasa. Antes, deben ser hidrolizadas por las enzimas segregadas por los microorganismos y convertidas en moléculas solubles, de bajo peso molecular y, por tanto, de fácil asimilación para las células. La etapa de hidrólisis es lenta, es la etapa que controla el proceso y lleva asociadas tasas de consumo de oxígeno mucho más bajas que las de consumo de la DQO fácilmente biodegradable.
  • DQO soluble no biodegradable (DQOsnb). Esta fracción no se ve alterada por el contacto con la biomasa, no sufre ningún tipo de variación durante el tratamiento y sale con el efluente. Si esta fracción es mayoritaria en el efluente, los procesos biológicos quedan directamente descartados.
  • DQO particulada no biodegradable (DQOpnb). Esta fracción, aunque no es consumida por la biomasa, gran parte decanta junto a los lodos, reduciéndose la concentración a la salida en relación a la entrada.

El hecho de que la DQO soluble no se corresponda perfectamente con la DQO fácilmente biodegradable, de la misma manera que la DQO particulada no se corresponde totalmente con la DQO lentamente biodegradable, hace que la forma idónea de determinación de las diferentes fracciones sea mediante respirometría. Esta técnica mide el consumo de oxígeno por parte de la biomasa al degradar los sustratos en relación al tiempo, lo cual proporciona una información muy precisa tanto de la actividad de los organismos como de la velocidad a la que los diferentes sustratos son consumidos. La tasa de respiración es la velocidad de consumo de oxígeno, por unidad de volumen y tiempo. Representando los datos obtenidos de la tasa de respiración respecto al tiempo se obtiene un respirograma, como el ejemplo de la figura, en el cual se diferencian las siguientes áreas:

  • A1: área proporcional a la concentración de DQO fácilmente biodegradable. Es la primera DQO que se consume y con la tasa de respiración más elevada.
  • A2: área proporcional a la concentración de DQO lentamente biodegradable. La velocidad de consumo de oxígeno es menor y se prolonga más en el tiempo.
  • A3: área proporcional a la cantidad de oxígeno consumido en el proceso de nitrificación.
  • A1+A2+A3: indica la cantidad de oxígeno necesaria para una oxidación completa de los contaminantes.
  • Una vez finalizada la respirometría, si se realiza una DQO del licor mezcla filtrado (0,45 m) se obtiene la DQO soluble no biodegradable. Y finalmente, si a la DQO inicial (total) se le resta la DQO biodegradable (suma de la fácilmente biodegradable y de la lentamente biodegradable) y la DQO soluble no biodegradable, por diferencia se obtiene la fracción de DQO particulada no biodegradable.

respirograma

Una vez determinadas las diferentes fracciones en función de su respectiva biodegradabilidad, se dispone de una caracterización completa de la materia orgánica del agua residual, la cual complementa el resto de parámetros analizados. Esta información será fundamental para tomar decisiones en la etapa de diseño del sistema de tratamiento de los efluentes; servirá para seleccionar los procesos que pueden ser eficientes y cuáles pueden ser descartados directamente. Por ejemplo, un agua con una fracción lentamente biodegradable que sea mayoritaria, no puede ser tratada mediante un sistema biológico en el que el agua esté muy poco tiempo en contacto con la biomasa.

Asimismo, la determinación de las diferentes fracciones en base a su diferente biodegradabilidad también permite calibrar los modelos cinéticos que posteriormente describirán el comportamiento del sistema (calidad del efluente, demanda de oxígeno, producción de lodos, etc.) en respuesta a fluctuaciones en tiempo real de la carga y del caudal del afluente.

Así pues, la caracterización completa del agua residual es fundamental para poder acometer con garantías de éxito la etapa de selección del tipo de tratamiento y su posterior diseño.