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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea

lacteosLa industria láctea, dedicada a la producción de leche y a la elaboración de quesos, yogures y mantequillas entre otros productos, genera una gran cantidad de agua residual. Actualmente, en la producción de leche, la generación de aguas residuales se estima de promedio entre 1 y 2 litros por litro de leche producida. Las aguas residuales se generan por fugas y derrames de materias primas, en las limpiezas de los equipos de proceso (tanques, pasteurizadores, tinas de cuajo, etc.), en el lavado de superficies (suelos y paredes) y en el vertido de las salmueras agotadas.

Las aguas residuales generadas en la industria láctea presentan una contaminación principalmente de carácter orgánico (DQO y DBO elevadas), con una elevada concentración de grasas y también de nitrógeno y fósforo. Aunque la DBO5 media puede estar en torno a 3.000-4.000 mg O2/L, los vertidos muestran una elevada variabilidad, tanto en caudal como en composición. Ésta depende fundamentalmente del proceso que genera las aguas residuales y del producto que se prepara. Así, el suero que se genera en la elaboración de quesos tiene una DBO del orden de 40.000-50.000 mg O2/L y se considera que una granja que procese unos 100 m3/día de leche para la elaboración de queso, genera la misma contaminación que un núcleo de 55.000 habitantes. Para una optimización de los procesos de tratamiento de las aguas residuales, es muy importante que el suero de quesería, o lactosuero, no se mezcle con las aguas residuales. Si el lactosuero no se desea aprovechar, éste deberá ser tratado de forma aislada. No obstante, cada vez existen más alternativas para revalorizar este producto. Se puede optar por utilizarlo para la alimentación de animales, se puede deshidratar mediante una evaporación al vacío para venderlo como suero en polvo para aplicaciones de panificación o como sustituto de la leche en polvo, otra vía es su utilización para la obtención de lactosa, se puede usar para la elaboración de bebidas fermentadas con la adición de zumos de frutas, etc. Si no se desea aprovechar, el tratamiento más económico es concentrarlo mediante un proceso de nanofiltración o de ósmosis inversa. El rechazo se puede concentrar mediante un proceso de evaporación-concentración al vacío para reducir al máximo la cantidad de residuo que se deberá tratar externamente. El concentrado, rico en carbono, nitrógeno y fósforo podrá ser utilizado para aplicación agrícola como fertilizante.

El tratamiento del resto de las aguas residuales producidas en la industria láctea se puede abordar desde diferentes estrategias: un tratamiento convencional, un proceso más novedoso o un tratamiento de última generación. En cualquier caso, sea cual sea la opción de tratamiento elegida, será necesario acumular el agua residual en un depósito homogeneizador, para absorber las puntas de caudal así como para mezclar todos los efluentes y alimentar al sistema de tratamiento un agua lo más homogénea posible. En este depósito también es conveniente neutralizar el pH, puesto que en condiciones anaerobias la lactosa fermenta y se transforma en ácido láctico.

El tratamiento convencional estaría basado en un proceso biológico aerobio para eliminar la materia orgánica disuelta, que es aproximadamente el 70% de la materia orgánica total. No obstante, previamente al proceso biológico sería conveniente desbastar el agua mediante un tamiz rotatorio, de 1-2 mm de tamaño de paso, y retirar las grasas presentes. Las grasas dificultan en gran medida el proceso biológico, por lo que es conveniente separarlas con anterioridad. Las grasas reducen la velocidad de disolución del oxígeno en el agua y forman una capa sobre la superficie de la biomasa reduciendo así la transferencia de oxígeno disuelto a la biomasa. Las grasas se separan del agua por flotación mediante la adición de finas burbujas de aire, que ayudarán a las partículas de grasa a alcanzar la superficie con mayor velocidad. Las grasas, una vez separadas del agua y concentradas, se gestionan externamente (incineración). A continuación, las aguas se tratan biológicamente mediante un sistema que permita la eliminación de nutrientes. Después de una decantación secundaria las aguas ya pueden ser vertidas, mientras que los lodos separados deberán ser espesados, deshidratados y gestionados externamente. Estos lodos deberán ser estabilizados, mediante un proceso de compostaje, de digestión anaerobia, de secado térmico, etc.

Otra opción de tratamiento, más novedosa que el proceso biológico aerobio, es la transformación de la materia orgánica de las aguas residuales en biogás mediante un sistema anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Los procesos biológicos anaerobios son más eficaces y económicos cuando el afluente dispone de una elevada concentración de compuestos orgánicos biodegradables. En relación al proceso biológico se consume menos energía y además se produce biogás, el cual se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante un proceso de cogeneración. Asimismo, la producción de fangos es considerablemente inferior en los sistemas anaerobios. En un reactor UASB el afluente se alimenta por la parte inferior. Éste atraviesa un manto de fango decantado en la base del reactor en sentido ascendente y accede a la zona donde se lleva a cabo la digestión. Por la parte superior se retira el efluente tratado y el biogás generado. Este tipo de reactores son muy compactos, ocupan poco espacio, presentan bajos costes de operación y consiguen muy buenos porcentajes de eliminación de DBO (superiores al 95%).

Otra alternativa, más innovadora y que aporta también muy buenos resultados a escala laboratorio y piloto, es la electrocoagulación. Los estudios realizados hasta el momento demuestran que se pueden conseguir muy buenos resultados de eliminación de materia orgánica a unos costes de explotación mucho más bajos que mediante las tecnologías convencionales.

Así pues, los efluentes de la industria láctea presentan una elevada concentración de materia orgánica y de nutrientes. Un factor determinante para el tratamiento de las aguas residuales generadas es la segregación del lactosuero de las aguas residuales, el cual se puede revalorizar. El resto de aguas residuales pueden ser tratadas de forma eficiente y económica mediante diferentes alternativas, desde los procesos clásicos hasta tecnologías muy innovadoras que son económicamente más competitivas.

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.

Deshidratación de residuos generados en el tratamiento de aguas

En una amplia variedad de técnicas de tratamiento de aguas, los contaminantes presentes en el agua son separados y concentrados, en vez de ser eliminados. Tanto los tratamientos físicos, fisicoquímicos como biológicos generan residuos sólidos o lodos. Éstos, mayoritariamente son agua, pues suelen tener una concentración de sólidos que van desde el 0,5% al 5%. En la mayor parte de los casos, independientemente de la disposición final, será conveniente una etapa de deshidratación de residuos en el mismo lugar donde se generan, con el objetivo de reducir el volumen y, por tanto, el coste del transporte.

El estado físico de los lodos depende en gran medida del contenido en agua, pudiendo ser desde un líquido viscoso hasta un sólido polvoriento. En la tabla se muestra el aspecto del lodo en función del contenido en agua.

deshidratación de residuos

Tabla de deshidratación de residuos

En la mayoría de los procesos en los que se generan lodos, éstos tienen una concentración de sólidos en torno a 40 g/L (4%). Aumentar más su concentración extrayendo el agua retenida por el lodo, no es posible mediante procesos basados en la gravedad. Para conseguir valores de sequedad del 20% o superiores es necesario someter los lodos a procesos mecánicos, generalmente una filtración o una centrifugación. Los procesos térmicos también son muy eficaces y se utilizan cuando el grado de sequedad deseado es más elevado.
A continuación se exponen las técnicas de deshidratación de lodos más eficientes:

1. Deshidratación de residuos mediante filtros banda

El funcionamiento de los filtros banda se basa en el vertido de los lodos sobre una banda continua de tela filtrante que pasa entre una serie de rodillos giratorios. Al pasar el lodo entre los rodillos, éste se comprime, escurre y pierde parte del agua que contiene, llegando al 20-30% de sequedad a la salida, siempre dependiendo del tipo de lodos. Los rodillos suelen ser de diferentes diámetros para poder ir aumentando la presión ejercida y variar la dirección, ejerciendo así también un efecto de cizalladura.

Entre sus ventajas figuran un coste de explotación contenido, el bajo consumo de energía y la escasa necesidad de mano de obra. Como inconvenientes hay que destacar la baja durabilidad de la tela filtrante y la alta sensibilidad al tipo de lodo.

2. Deshidratación de residuos mediante filtros prensa

Estos filtros están formados por una estructura de tipo bastidor que aloja una serie de placas, las cuales contienen unas telas filtrantes. El lodo penetra en las cavidades formadas entre dos placas contiguas y se ejerce una elevada presión mediante un sistema hidráulico, sobre los 300 kg/cm2, durante un período de hasta 3 horas. El agua atraviesa la tela filtrante y accede a un colector de filtrado, mientras que el lodo forma unas tortas de 2 a 3 cm de espesor. Finalmente las placas se separan y la torta de filtración cae por gravedad. Después de la limpieza el sistema está preparado para repetir el ciclo de filtración. Se pueden conseguir sequedades de hasta el 40%, no obstante los costes de inversión son elevados y el funcionamiento es en discontinuo y muy laborioso.

3. Deshidratación de residuos mediante filtros de vacío

Consiste en un tambor perforado cubierto de una tela filtrante y en su interior se aplica vacío. El tambor está compartimentado en varias secciones independientes. Está parcialmente sumergido en un tanque en el que se encuentra el lodo líquido que se desea deshidratar. Las diferentes secciones del tambor, a medida que éste va girando, van pasando cada una por un ciclo de filtración, lavado y descarga de la torta de filtración, la cual puede tener una sequedad de entre el 20% y el 30%. La velocidad de giro del tambor depende de las características del lodo.
Es un sistema que tiene una elevada capacidad de carga, aunque los costes de inversión, mantenimiento y explotación son elevados.

4. Deshidratación de residuos mediante centrifugación

La separación del agua del lodo se consigue mediante la aplicación de fuerzas centrífugas, habitualmente de magnitud 10.000 veces superior a la gravedad. La centrífuga consiste en un rotor cilíndrico cónico que incorpora en su interior un tornillo helicoidal. Los dos giran a elevada velocidad y en el mismo sentido, aunque el rotor gira más rápido que el tornillo. El lodo se alimenta en la parte central del rotor y es impulsado hacia la periferia debido a la fuerza centrífuga. El agua, al ser más ligera, avanza por el tornillo helicoidal y se recoge en un extremo. Los lodos se van acumulando en las paredes del rotor, son arrastrados a lo largo de la zona cónica y salen por un orificio situado en la parte inferior del extremo opuesto. El fango deshidratado suele tener una sequedad entre el 15% y el 30%, dependiendo del tipo de lodo y de las condiciones de centrifugación.

Se trata de un sistema eficiente, que trabaja en continuo, muy compacto y que necesita poco espacio. En contrapartida, el mantenimiento es crítico y la potencia consumida es importante.

5. Deshidratación de residuos mediante secado térmico

La deshidratación por encima del 35%-40% de sequedad no es posible mediante medios mecánicos, pues el agua libre y capilar ya ha sido eliminada y la que queda es el agua intracelular. Para eliminar este agua es necesario romper la estructura celular, ya sea por medios biológicos, químicos o térmicos.

El secado térmico consiste en incrementar, directa o indirectamente, la temperatura del lodo para que el agua se evapore. Se utiliza para reducir el volumen del lodo, y por tanto reducir sus costes de gestión, y también para revalorizarlo.

Para evaporar el agua se necesita una gran cantidad de energía, por lo que el secado térmico sólo se podrá utilizar cuando haya disponible energía residual de algún otro proceso.

Sea cual sea el proceso de deshidratación, la eficiencia en el proceso mejora de forma considerable si previamente se acondicionan químicamente los lodos.

Los productos químicos más utilizados son el cloruro férrico, el sulfato de hierro o de aluminio y la cal. También se utilizan con excelentes resultados los polielectrolitos catiónicos, ya que se dosifican con facilidad, su consumo no es muy elevado y proporcionan una gran eficiencia. Además, los polielectrolitos no aumentan la cantidad de lodos producidos, como sí ocurre con las sales inorgánicas. El producto que presenta mayor eficiencia, así como la dosis que se debe utilizar, variará en función de las características de los lodos. Por este motivo, se deberán realizar ensayos en el laboratorio en cada caso.

Así pues, en los sistemas de tratamiento de aguas se generan residuos sólidos con un elevado contenido en agua. La eliminación parcial o total de este agua será clave para reducir los costes de transporte y de gestión. La técnica de deshidratación más conveniente en cada caso dependerá de las características de los lodos producidos así como de factores externos (disponibilidad de mano de obra, precio de la energía, espacio disponible, etc.). Y, si se desea alcanzar un elevado valor de sequedad, se deberá recurrir a un proceso térmico.

 

Tratamiento del biogás

La producción de biogás como resultado de la valorización energética de los residuos con materia orgánica biodegradable está en constante crecimiento. Es una fuente de energía renovable que se puede utilizar para producir energía eléctrica y energía térmica mediante motores de cogestión o microturbinas, se puede acondicionar para su uso en las pilas de combustible e incluso se puede purificar para utilizarse como combustible para vehículos e inclusive para su inyección en la red de gas natural. Así pues, la valorización energética permite además de dar una salida ambientalmente satisfactoria a los residuos, obtener un rendimiento económico que reduzca los costes de explotación del resto de instalaciones.

La utilización del biogás para la obtención de energía se debe a su elevado contenido en metano. Una composición típica del biogás podría ser 55-70% de metano, 30-45% de CO2, 1-3% de hidrógeno, 0,5-3% de nitrógeno, 0,1-0,2% de ácido sulfhídrico y trazas de vapor de agua. No obstante, la composición concreta dependerá del sustrato a partir del cual se obtiene el biogás (aguas residuales, vertederos, residuos agrícolas y ganaderos, subproductos carbonatados de la industria, etc.), así como de los parámetros del proceso de digestión (temperatura, pH, tiempo de residencia, etc.). En ocasiones, en función de su origen, el biogás contiene elevadas concentraciones de contaminantes que impiden su aprovechamiento si no son eliminados previamente. Estos contaminantes, principalmente, son el ácido sulfhídrico, el cual se forma por reducción biológica de los sulfatos en condiciones anaerobias, y los siloxanos, una familia de compuestos que contienen silicio y que proceden del uso de los cosméticos y de las siliconas. En función del tipo de aprovechamiento del biogás que se desee realizar, se deberá eliminar algún contaminante, si no todos. En la tabla se muestran los contaminantes que deben ser eliminados del biogás en función de la aplicación de éste.

Tratamiento del biogás

Tal y como se puede deducir de la tabla, el tratamiento del biogás será específico en función del tipo de aprovechamiento que se desee realizar y de los contaminantes presentes. A continuación se analiza para cada tipo de contaminante cuándo se debe eliminar y qué técnica es la más conveniente:

Ácido sulfhídrico (H2S)
Se trata de un compuesto muy oloroso, tóxico y corrosivo. Debe ser eliminado antes de que el biogás entre en contacto con los motores de cogeneración, las microturbinas (aunque éstas toleran concentraciones mayores que los motores) o las pilas de combustible. Además, su combustión genera SO2, el cual es uno de los causantes principales del fenómeno de la lluvia ácida.
Para atenuar la formación de este contaminante, se pueden dosificar sales férricas en el digestor, produciendo la precipitación del sulfuro y reduciendo así la formación de ácido sulfhídrico. No obstante, la técnica más competitiva incluso cuando la carga es elevada es la desulfuración biológica, por su elevada eficiencia y sus bajos costes de explotación. Otra opción es el lavado químico mediante scrubbers, es una técnica eficiente pero no tan económica como la alternativa biológica, además de que presenta el inconveniente de haber de tratar con productos químicos.

CO2

No se trata de un contaminante propio del biogás, puesto que es inocuo para la mayoría de aplicaciones. Sin embargo, éste debe ser separado cuando interesa disponer de metano concentrado, bien para su uso como combustible para automóviles o bien para su inyección en la red de gas natural. Una de las formas más sencillas de separar el CO2 consiste en su absorción en agua. Tanto el H2S como el CO2 quedan retenidos mientras que el metano no, debido a las diferencias de polaridad entre las dos primeras moléculas y la de metano, que es bastante apolar. La solubilidad del CO2 en agua depende de la presión, de la temperatura y del pH. Para acabar de eliminar completamente el CO2, esta etapa puede ser complementada con una precipitación del H2S y del CO2 con Ca(OH)2, obteniendo CaCO3 y CaS.

Agua

A la salida del digestor el biogás está saturado de vapor de agua y para la mayoría de aplicaciones será necesario secarlo. Para ello, se puede refrigerar la tubería y el agua se recoge condensada. Si se desea una eliminación total del vapor de agua, se puede absorber mediante un agente desecante, sílica gel o Al2O3.

Siloxanos

Se trata de una familia de compuestos de silicio los cuales están en forma de vapor en el biogás. En parte cristalizan formando sílice, la cual causa una gran abrasión en los equipos mecánicos. Se separan del biogás mediante adsorción con carbón activo, obteniendo una elevada eficiencia y reduciéndolos hasta niveles de ppb(v).

En los filtros de carbón activo también quedan adsorbidos los BTEX, hidrocarburos y compuestos halogenados que pueda contener el biogás.

Cuando se desea metano con un poder calorífico (PCI) similar al del gas natural, existe una alternativa de purificación consistente en la filtración por membrana. El gas a purificar fluye a través de una membrana selectiva y en función de la diferente permeabilidad de la membrana a los distintos compuestos, éstos van permeando y el metano se va enriqueciendo. El diseño de la membrana es el más adecuado para la separación selectiva de diferentes gases, principalmente CO2 y metano. La purificación es efectiva aunque existe cierta pérdida de metano junto al CO2 separado, además de que son sistemas caros.

Así pues, mediante diferentes técnicas, consolidadas y eficientes, se puede realizar el tratamiento más conveniente del biogás de manera que éste se adecúe a las condiciones necesarias para su posterior aprovechamiento.