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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 mediante evaporadores al vacío

evaporador al vacío triple efectoLa técnica de la concentración-evaporación se caracteriza por transformar un efluente líquido en dos corrientes, una de agua de alta calidad y otra, consistente en un residuo concentrado. El agua obtenida tiene una calidad suficiente para ser reutilizada, mientras que el residuo puede ser concentrado incluso llegando casi a la sequedad total. Al concentrar el residuo a estos niveles se disminuyen notablemente los costes de gestión de residuos.

Para conseguir evaporar el agua sin que los costes energéticos se disparen, la evaporación no se lleva a cabo a presión atmosférica, sino al vacío. Así se ahorra energía. A medida que disminuye la presión, la temperatura a la que el agua hierve, también se reduce. Por ejemplo, si a la altura del nivel del mar (presión 760 mm Hg) el agua hierve a 100 ºC, en la cima del Aneto (3.404 m sobre el nivel del mar, presión atmosférica entorno a los 500 mm Hg) la temperatura de ebullición del agua es de 88 ºC; y en la cima del Everest (8.848 m, 225 mm Hg) el agua hierve a 68 ºC. Así pues, si en el interior del evaporador se reduce la presión sustancialmente, el agua hierve a temperatura casi ambiental: operando a 40 mm Hg de presión absoluta, el agua se evapora a 34 ºC. A la práctica, como el líquido que hierve no es agua pura, la temperatura de ebullición es ligeramente superior.

Los evaporadores al vacío son una solución competitiva y eficiente para tratar aguas residuales que con los métodos más convencionales (tratamientos físico-químicos y biológicos) no se consiguen resultados aceptables. Esto sucede fundamentalmente cuando el efluente contiene una concentración de sales muy elevada, compuestos no biodegradables, sustancias tóxicas para los microorganismos, metales, etc. Estos efluentes son producidos en la industria por servicios generales: purgas de calderas, efluentes de regeneración de resinas de intercambio iónico, rechazos de procesos de ósmosis inversa, fangos de tratamiento de agua de proceso, purgas de torres de refrigeración, etc., así como efluentes específicos de la industria alimentaria (tratamiento de salmueras), la industria galvánica (baños agotados, aguas de lavado y de tratamiento de superficies), las industrias química, farmacéutica y cosmética (aguas de lavado de tanques y reactores, etc.), la industria de fabricación de pinturas (lavado de reactores), la industria del automóvil y del metal en general (emulsiones aceitosas, desengrasantes, taladrinas, líquidos penetrantes), de artes gráfica (tratamiento y concentración de tintas y aguas de lavado de rodillos), gestores de residuos (lixiviados de vertederos, aguas de elevada conductividad, etc.), residuos sanitarios, etc. La evaporación no sólo se utiliza para el tratamiento de efluentes, sino que en la industria alimentaria se utiliza extensamente para concentrar todo tipo de sustancias sensibles al calor (concentración de zumos, fabricación de leche condensada, eliminación del alcohol para obtener cerveza sin alcohol, etc.).

Los equipos necesarios para llevar a cabo el proceso de evaporación-concentración al vacío se podrían clasificar dentro de tres grandes tipos, en función del procedimiento para calentar el efluente hasta la temperatura de proceso:

• Evaporador al vacío por bomba de calor: mediante la compresión de un gas refrigerante, se cede calor al líquido a evaporar mediante un intercambio de calor. A continuación, un condensador que enfría el líquido evaporado, por medio de una válvula termostática, provoca que se expansione el gas refrigerante de nuevo, el cual circula en un circuito cerrado. Al estar el equipo operando en condiciones de vacío, es posible evaporar a temperaturas que están alrededor de los 40 ºC, hecho que hace que no sea necesario ningún otro aporte de calor ni de frío. Esto hace que se trate de un proceso económicamente atractivo.

• Evaporador al vacío por compresión mecánica del vapor: el destilado se comprime mecánicamente para incrementar su temperatura y obtener así vapor sobrecalentado, el cual, mediante un intercambiador de calor, cederá su energía para calentar el líquido a evaporar mientras el propio vapor condensa. Así, se consigue ahorrar, por un lado, energía para calentar el líquido a evaporar y, por otro, una fuente de refrigeración para la condensación.

• Evaporador al vacío de múltiple efecto: consiste en la conexión de varios evaporadores conectados en cascada. En el primero de ellos se utiliza agua caliente o vapor fresco para calentar el líquido a evaporar. El destilado que se genera en el primer evaporador sirve como agente de calefacción en el segundo evaporador. Y así sucesivamente, el vapor generado en el segundo evaporador se utiliza para calentar el líquido del tercer evaporador. Es una opción muy competitiva cuando el caudal a tratar es elevado, porque el ahorro en calefacción es significativo en relación a un evaporador de simple efecto.

Las ventajas de la evaporación-concentración para el tratamiento de aguas residuales y efluentes líquidos son diversas y muy importantes. La primera, que se trata de una técnica eficiente en el tratamiento de aguas que presentan dificultad para ser tratadas mediante técnicas convencionales, las cuales no proporcionan resultados óptimos. En estos casos, la evaporación-concentración al vacío es una técnica eficaz y competitiva. También, hay que tener presente que el agua destilada que se obtiene es de una gran calidad y permite que sea reutilizada dentro del proceso, facilitando implantar una política de vertido cero. Por otro lado, el residuo concentrado, que sufre una importante reducción de peso, hace que los costes de gestión de residuos disminuyan cuantiosamente. Además, por lo general, no es necesario utilizar reactivos químicos, salvo en contadas ocasiones, que se precisa de la dosificación de un antiespumante. Asimismo, los equipos son compactos, prácticos e instrumentalizados, por lo que el seguimiento de su funcionamiento es sencillo, permitiendo llegar a tratar efluentes de hasta 20 m3/h en un solo evaporador. Finalmente, también se debe tener en cuenta que al no haber de calentar el efluente hasta elevadas temperaturas, ya que al trabajar al vacío el agua hierve a 35-40 ºC (en función de la presión de operación), los requerimientos energéticos del evaporador no tienen por qué ser corrientes energéticas de alta calidad y excedentes energéticos de otros procesos serán de utilidad en la mayoría de los casos.

A modo de conclusión, destacar que la evaporación-concentración al vacío es una tecnología novedosa, eficiente y competitiva que permite obtener muy buenos resultados en el tratamiento de aquellos efluentes que mediante otras técnicas es complejo. En muchos casos permite la implantación de políticas de vertido cero, con todas las repercusiones ambientales positivas que esto supone. Además, gracias a la reducción de la cantidad de residuo generado y a la obtención de una corriente de agua de elevada calidad, la recuperación de la inversión económica es relativamente rápida. Y se reduce aún más si se puede utilizar algún excedente energético de algún otro proceso.

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Cogeneración a partir de residuos

La cogeneración consiste en la producción simultánea, y aprovechamiento, de dos o más tipos de energías diferentes; normalmente, energía eléctrica y energía térmica (calor). A diferencia del proceso convencional de producción de electricidad en centrales térmicas, en el que se produce una gran cantidad de calor que no se aprovecha y que se libera al medio ambiente, en los sistemas de cogeneración, implícitamente, la planta de producción de energía está cerca del lugar de consumo de la misma.

La posibilidad de utilizar un residuo como materia prima para un proceso de producción de energía es muy atractiva tanto desde el punto de vista económico como desde el ambiental. Económicamente, porque se transforma un residuo (que lleva asociado un coste de gestión) en energía (que implica un ingreso económico). Y ambientalmente, porque es una vía de reducir la cantidad de residuos generados.

Así pues, las instalaciones idóneas para albergar un proceso de cogeneración deberán, por un lado, producir un residuo que sea combustible o pueda ser transformado en un combustible. Y por el otro lado, deberán tener demanda de energía térmica y energía eléctrica. Estos requisitos se cumplen fácilmente en:

1. Las plantas de tratamiento de aguas residuales mediante proceso biológico, ya sean urbanas como industriales. Los lodos generados, a través de un proceso de digestión anaerobia, son transformados en biogás (dióxido de carbono y metano) y lodos estabilizados, los cuales tienen aplicación agrícola como fertilizantes. El biogás, dependiendo de la riqueza relativa en metano que posea, tiene un mayor o menor poder calorífico, que en cualquier caso puede ser utilizado en un proceso de cogeneración.

En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la energía térmica producida en el proceso de cogeneración se puede utilizar para mantener constante la temperatura del digestor anaerobio (a 36 ºC) y para calentar previamente los lodos digeridos antes del proceso de deshidratación, y consecuentemente aumentar la eficacia de esta operación.

2. Las explotaciones agrícolas y/o ganaderas, en las que se producen residuos biodegradables que también sonsometidos a un tratamiento de digestión anaerobia, para reducir la cantidad de residuos, a la vez que se genera una considerable cantidad de biogás.

En este tipo de explotaciones, el calor que se desprende en la cogeneración se puede utilizar para mantener a una temperatura confortable las naves en las que se encuentran los animales, para mantener controlada la temperatura en los invernaderos y para disminuir la sequedad del residuo sólido final precalentándolo previamente a la deshidratación.

3. Vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU), en los que, dadas las condiciones en las que se encuentran los residuos y su naturaleza orgánica, se produce un proceso natural de biometanización en el que se genera biogás.
En los vertederos de RSU, la energía térmica excedente de la cogeneración puede ser de gran utilidad en el proceso de tratamiento de los lixiviados generados, concretamente, para reducir la humedad del residuo final, incluso hasta llegar a secarlo, mediante un proceso de concentración-evaporación.

Para transformar el biogás en energía eléctrica y energía térmica existen dos tecnologías alternativas: los motores de combustión y las microturbinas. Los motores de combustión sólo son válidos cuando la concentración de metano en el biogás es superior al 40%. Tienen una eficacia eléctrica del 35-40% y una eficacia térmica del 35-40%. En contrapartida, las microturbinas pueden operar con una riqueza de metano del 30% (35% en el arranque), su eficiencia eléctrica es del 25-30% y su eficiencia térmica del 55-60%. Considerando la eficiencia global (la suma de la eficiencia eléctrica y de la eficiencia térmica), las microturbinas presentan mejores resultados que los motores de combustión.

En cuanto al mantenimiento, las microturbinas sólo tienen una parte móvil y son lubricadas por aire, mientras que los motores de combustión son mucho más complejos a nivel mecánico y precisan de aceite para su lubricación. Esto hace que el mantenimiento necesario de las microturbinas sea muy bajo mientras que los motores necesitan de atención constante.

En el caso de los motores, el calor excedente se obtiene de dos fuentes diferentes: del circuito de refrigeración y de los gases de combustión, mientras que en el caso de las microturbinas, la energía térmica se obtiene de una única corriente, aprovechando la alta temperatura de los gases de combustión.

Tanto en el caso de los motores de combustión como en el de las microturbinas, el biogás debe ser limpiado antes de entrar en contacto con estos equipos. En ambos casos se deben eliminar del biogás los siloxanos, los cuales se adsorben en un filtro de carbón activo. En el caso de los motores de combustión, además, también se debe eliminar del biogás el sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual es un ácido muy corrosivo.

En cuanto a las emisiones, los motores de combustión generan mayor cantidad tanto de monóxido de carbono como de óxidos de nitrógeno.

Así pues, mediante un proceso de cogeneración se puede reducir la cantidad de residuo generado a la vez que se produce energía eléctrica, que se puede autoconsumir o vender a través de la red general, y energía térmica, que se puede utilizar tanto dentro del propio proceso, como para reducir la humedad del residuo final mediantes técnicas de evaporación-concentración. Tanto por la reducción de la cantidad de residuo como por la producción de energía, el proceso de cogeneración es completamente viable económicamente y el período de retorno de la inversión suele ser relativamente corto.

cogeneración a partir de residuos

Biometanización de RSU (Residuos sólidos urbanos)

La biometanización es un proceso en el que una selección natural de microorganismos descompone mediante una digestión anaerobia la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, en biogás y un residuo sólido estabilizado (aproximadamente, la mitad en peso que el residuo de partida). El biogás, que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y otros gases minoritarios, puede ser utilizado como combustible puesto que, si bien su composición depende de la materia orgánica digerida, la riqueza en metano suele estar entorno al 60%.

A pesar de que el proceso de digestión anaerobia se estudia desde a mediados del siglo pasado, su aplicación para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) es relativamente reciente. De hecho, la implantación de la recogida selectiva de residuos, con la separación de la fracción orgánica, ha sido una de las causas que han empujado al desarrollo de nuevas vías de tratamiento. La FORSU se caracteriza por tener una elevada humedad, por lo que salidas típicas como la incineración o la disposición en vertedero no son las más adecuadas.

Así pues, los tratamientos más interesantes para la fracción orgánica son dos: la biometanización y el compostaje, con sus respectivas variantes. La ventaja principal que presenta la primera técnica en relación a la segunda es el hecho de que se trata de una tecnología que no sólo no consume energía, sino que la produce. Además, se trata de una energía renovable que contribuye a la disminución de la producción de gases con efecto invernadero. Este balance energético obviamente tiene un impacto positivo en los costes de explotación. Además, la digestión anaerobia es una tecnología especialmente adecuada para el tratamiento de residuos sólidos con un grado de humedad alto y que requiere un equilibrio de nutrientes menos estricto que el compostaje. Esto hace que en el caso de falta de disponibilidad de residuos de origen vegetal, la digestión anaerobia pueda ser técnicamente más adecuada. En contraposición, el proceso de biometanización es más complejo, porque necesita más etapas de proceso desde que la fracción orgánica entra en planta. Esto repercute en una mayor inversión inicial para su implantación.

En el proceso de biometanización se ha comprobado que en la mayoría de casos se produce mayor cantidad de biogás, y con una riqueza más elevada de metano, si el sustrato a digerir es una mezcla de FORSU y lodos de EDAR, lo que se conoce como codigestión. Los lodos de EDAR son una fuente muy importante de nutrientes y además en una proporción muy equilibrada.

El proceso de biometanización se inicia con la alimentación del sustrato orgánico (FORSU, lodos de EDAR o una mezcla de ambos) en el digestor anaeróbico, el cual opera con un tiempo de residencia en torno a 20-25 días. Del digestor salen dos efluentes, uno gaseoso, el biogás; y el otro líquido, el fango digerido con un 5% de concentración en peso. El fango digerido, ya estabilizado, puede ser utilizado en aplicaciones agrícolas como fertilizante (compost), una vez esté deshidratado. En el proceso de deshidratación, normalmente mediante filtración o centrifugación, se consigue concentrar hasta alrededor de un 25-35% de sequedad. La fracción líquida obtenida en la deshidratación deberá ser tratada correctamente, puesto que su carga, sobretodo en nitrógeno y fósforo, es elevada. Una alternativa es tratar esta corriente mediante un proceso biológico de depuración, el cual necesitará de la adición de una fuente de carbono externa para permitir el crecimiento de la biomasa. Otra opción, aún más sostenible, consiste en concentrar la fracción líquida de la deshidratación mediante un proceso de evaporación al vacío, aprovechando la energía térmica residual producida en la transformación del biogás en electricidad (cogeneración). El biogás suele ser utilizado para producir electricidad mediante motores de combustión o bien microturbinas.

En ambos casos, fruto de la producción de la energía eléctrica, se produce un calor residual que es necesario eliminar. Este calor puede ser utilizado eficientemente para precalentar el sustrato de entrada al digestor y así mantener éste trabajando constantemente a la temperatura óptima de operación (36 ºC en la digestión anaerobia mesofílica y entre 45 ºC y 65 ºC en el caso de la termofílica) a la vez que para evaporar el agua de la fracción líquida de la deshidratación. Como resultado de esta evaporación-concentración se obtiene un residuo prácticamente seco, con una reducción en peso en torno al 75%, y una corriente de agua de gran pureza.

Así pues, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos puede ser revalorizada mediante una planta de biometanización, sostenible y energéticamente autosuficiente. Esta planta puede ser diseñada y explotada de manera que transforme la FORSU en compost, el cual tiene salida en aplicaciones agrícolas, energía eléctrica, apta para ser vendida a la red general eléctrica, y agua de elevada pureza.

Biometanización de RSU

Filtros de carbón activado para plantas termosolares

CSP Solana (Arizona) y CSP Mojave (California) son las dos plantas termosolares más grandes del mundo a día de hoy. Ambas tienen una capacidad de 280 MW y previenen la emisión de más de 430 toneladas de CO2 cada año.

Condorchem Envitech ha diseñado e instalado los filtros de carbon activado que ambas plantas utilizan para tratar las emisiones que se generan en los venteos de su sistema de ullage.

Los filtros de carbón activado fueron la tecnología escogida, ya que es la que consideramos más eficiente para tratar este tipo de emisiones. Gracias a su instalación se evita la emisión de gases que serían muy perjudiciales para la salud humana.

Podéis encontrar más información en este artículo sobre el tratamiento de emisiones en centrales termosolares, o en la página de filtros de carbón activado de nuestra web.