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Ingeniería ambiental

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

Eliminación autotrófica de nitrógeno

Eliminación autotrófica de nitrógenoEl nitrógeno es un contaminante presente en las aguas residuales el cual debe ser eliminado con anterioridad al vertido de éstas en los cursos superficiales de aguas. En caso contrario, el nitrógeno reduce el oxígeno disuelto de las aguas superficiales, es tóxico para el ecosistema acuático, entraña un riesgo para la salud pública y junto al fósforo son responsables del crecimiento desmesurado de organismos fotosintéticos (eutrofización). Todos estos factores hacen que la legislación sea cada vez más restrictiva en cuanto a los límites máximos permitidos para este parámetro.

La forma más comúnmente empleada para la eliminación del nitrógeno se basa en un doble proceso biológico de nitrificación y desnitrificación. En la primera etapa, la de nitrificación, el amonio es convertido primero en nitrito y éste, a su vez, en nitrato, mediante un consorcio de bacterias nitrificadoras que utilizan carbono inorgánico como fuente de carbono y obtienen la energía necesaria para su crecimiento de las reacciones químicas de la nitrificación. La segunda etapa, la de desnitrificación, consiste en la conversión del nitrato en nitrógeno gas, el cual se libera a la atmosfera. Esta conversión la llevan a cabo unas bacterias en condiciones anaerobias, las cuales utilizan el nitrato como aceptor final de electrones y la materia orgánica presente en el agua como fuente de carbono.

Aunque este proceso es ampliamente utilizado por su robustez y por su elevada eficacia, es cierto que presenta algún aspecto susceptible de ser mejorado. Por un lado, en la etapa de nitrificación es necesario que haya una cierta concentración mínima de oxígeno disuelto en el agua, hecho que supone un elevado consumo energético. Por otro lado, en el proceso de desnitrificación se consume materia orgánica, factor que obliga a disponer de una recirculación interna (más consumo energético) o bien la dosificación de una fuente de carbono externa cuando la existente en el agua residual no es suficiente.

La búsqueda de nuevas técnicas que permitan conseguir los resultados obtenidos por el proceso convencional pero con un menor consumo energético ha favorecido el desarrollo de nuevos procesos, entre los que se abre paso el de la nitrificación parcial o eliminación autotrófica de nitrógeno. Esta técnica se basa en la conversión del 50% del amonio en nitrito en una primera etapa; y posteriormente, en la segunda etapa, se produce la desnitrificación autotrófica, en la que las bacterias convierten el 50% del amonio restante y el nitrito producido directamente en nitrógeno gas, en condiciones anaerobias y sin consumir materia orgánica. Este proceso es conocido con las siglas ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation).

Las ventajas respecto del proceso convencional son considerables. Se reduce el consumo energético, porque sólo es necesario convertir a nitrito la mitad del amonio presente, a la vez que se elimina más nitrógeno, ya que el rendimiento de desnitrificación es del doble al reaccionar una molécula de amonio con otra de nitrito para obtener una de nitrógeno molecular. Además, al ser la desnitrificación un proceso autotrófico, no es necesaria una recirculación interna para aportar materia orgánica y, menor aún, un aporte externo de materia orgánica. Finalmente, la biomasa generada en el proceso ANAMMOX es menor que la producida por los procesos convencionales, disminuyendo considerablemente los costes de operación y de tratamiento de lodos.

El proceso ANAMMOX es especialmente competitivo en relación al proceso convencional en todos aquellos casos en los que la relación carbono-nitrógeno (C/N) en el agua es desproporcionada respecto a la óptima para el crecimiento de los microorganismos. Un ejemplo de relación carbono-nitrógeno descompensada se encuentra en los retornos de la línea de fangos en plantas que disponen de digestión anaerobia. Este proceso produce un incremento del contenido de amonio soluble por la hidrólisis del nitrógeno orgánico. En cambio, el contenido de materia orgánica en los retornos es muy bajo, por lo que la relación carbono-nitrógeno no es la óptima para el crecimiento microbiano. Para tratar los retornos con un esquema básico sería indispensable la adición de materia orgánica externa (metanol o acetato); en cambio, para el proceso ANAMMOX se dan las condiciones óptimas: elevada concentración de nitrógeno y baja concentración de materia orgánica. Otros casos en los que el proceso ANAMMOX constituye una alternativa aventajada son el tratamiento de los lixiviados de vertedero, de los purines de cerdo o los efluentes de las empresas que se dedican a las conservas de pescado.

En contrapartida, el crecimiento de las bacterias ANAMMOX es muy lento, lo que supone un inconveniente práctico a la hora de enriquecer la biomasa en bacterias ANAMMOX para una aplicación industrial.

Así pues, existen alternativas competitivas al proceso biológico de nitrificación-desnitrificación convencional, especialmente en aquellos casos en los que la concentración de nitrógeno es elevada y la concentración de carbono baja, como es el caso de los efluentes de los procesos de digestión anaerobia, lixiviados de vertedero, purines de cerdo, etc. Las ventajas principales son la reducción del consumo energético, así como el hecho de no tener que aportar una fuente de carbono externa cuando no hay suficiente materia orgánica en el agua.

Conversión del amonio en nitrógen

En la figura, se representa de color azul la secuencia de conversión del amonio en nitrógeno gas que se produce en el proceso convencional. De color rojo, el proceso ANAMMOX cortocircuita el esquema convencional, lo acorta ahorrando oxígeno y materia orgánica.

Tratamiento de las aguas residuales en la industria cárnica

industria cárnicaLa industria cárnica agrupa tanto a los mataderos y salas de despiece como a las fábricas de productos elaborados (frescos, curados o cocidos). Habitualmente, se encuentra por un lado el conjunto matadero-sala de despiece y por otro lado la industria de productos elaborados. Mientras los primeros producen canales, medias canales y piezas de carne para su consumo, la industria de elaborados abastece de productos cárnicos transformados (embutidos, jamón, salchichas, etc.).

Desde la vertiente ambiental, la producción de aguas residuales es muy diferente en función del tipo de instalación. Mientras que la generación de aguas residuales en los mataderos-sala de despiece es considerable, y con una elevada carga orgánica, en la producción de elaborados es más contenida y constante en el tiempo.

Tal y como se describe a continuación, en la mayoría de los diferentes procesos que se llevan a cabo secuencialmente en el matadero se generan aguas residuales:

  • Recepción de los animales vivos/estabulación: los animales llegan a la instalación y se estabulan. Las aguas residuales producidas en la limpieza de estas zonas arrastran orina, heces, pelos, desinfectante, etc.
  • Sacrificio: los animales son lavados externamente mediante chorros de agua a presión y después son sacrificados. En este proceso también se generan aguas residuales.
  • Desangrado: los animales son desangrados. La sangre se recoge para su venta aunque se producen pérdidas que en la limpieza de las instalaciones pasan a las aguas residuales.

A partir de este punto, los siguientes procesos difieren de si el ganado es porcino o vacuno. Para el caso del porcino, los procesos que continúan son:

  • Escaldado: se eliminan las impurezas de la piel al introducir las piezas en recipientes de agua hirviendo. En este proceso también se generan aguas residuales.
  • Chamuscado: mediante unos quemadores se eliminan restos de pelos que han quedado tras el escaldado.
  • Lavado: las piezas se lavan mediante agua a presión para eliminar el residuo que ha quedado después del chamuscado. También se generan aguas residuales en este proceso.

En el caso de tratarse de vacuno, tras el proceso de desangrado, se da lugar el:

  • Desollado: se retira del animal sacrificado la piel, patas y cuernos.

A continuación, las piezas, tanto de porcino como de vacuno, continúan una serie de procesos comunes:

  • Acondicionamiento: se eliminan restos como vísceras de los cuales se obtienen subproductos para la alimentación animal. En este proceso también se generan aguas residuales.
  • Oreo, despiece y venta: las piezas se enfrían a temperatura ambiente, se despiezan y pasan a las cámaras de producto final apto para su venta.

En caso de que se trate de aves, los procesos son similares con las únicas diferencias de que en la estabulación la generación de aguas residuales es mucho más importante y de que entre los procesos de escaldado y de chamuscado exista en proceso intermedio, el desplumado.

Así pues, en la mayoría de los procesos que se llevan a cabo, además de las limpiezas de todas las instalaciones, se generan aguas residuales. El volumen final producido es elevado y se estima del orden de 5 litros de agua por kilogramo de peso de animal vivo. En el caso de aves, el consumo es superior y se sitúa entre 5 y 10 litros de agua por kilogramo de animal vivo. Por lo general, el agua arrastra moderadas cantidades de purines, restos de carne, sangre, pelos, trozos de vísceras y grasa superficial entre otros residuos, que en su conjunto hacen que el agua tenga un elevado contenido de materia orgánica, materias en suspensión, aceites y grasas, nitrógeno (amoniacal y orgánico), fosfatos y detergentes y desinfectantes de las limpiezas. Además, la carga de las aguas residuales varía en gran medida en función del día e incluso hora a hora.

En la siguiente tabla se resumen los valores típicos de los parámetros relacionados con el contenido de materia orgánica y nutrientes del efluente generado en un matadero con sala de despiece.

aguas residuales industria cárnica

Para tratar adecuadamente estas aguas residuales, la opción más recomendable y ventajosa es un diseño que incluya un pretratamiento del agua, que elimine los sólidos gruesos y finos, elimine también los aceites y grasas y amortigüe las fluctuaciones de caudal y/o carga; y a continuación, un tratamiento biológico, el cual será el responsable de eliminar la materia orgánica y el nitrógeno. A continuación se describen con mayor detalle estas etapas:

  • Pretratamiento: el primer proceso necesario consiste en un desbaste de gruesos y finos, mediante tamices de 10 mm y 4 mm de tamaño de paso respectivamente. A continuación, también es conveniente separar los aceites y grasas del agua antes del tratamiento biológico, puesto que éstos tienen una demanda de oxígeno elevada. Una forma efectiva de separarlos es mediante flotación. Finalmente, debido a las fluctuaciones de caudal y carga contaminante a lo largo del ciclo productivo, es conveniente incluir una etapa de homogenización y laminación del caudal, que amortigüe los picos que se producen a lo largo del tiempo.
  • Tratamiento biológico: éste puede estar basado en tecnologías muy diferentes, de las cuales la más favorables son:
    • Lodos activos de baja carga: mediante un proceso de biomasa en suspensión de baja carga, en la que la parrilla de difusores del sistema de aireación no ocupe la totalidad del biorreactor, es posible tanto eliminar la materia orgánica disuelta como conseguir la desnitrificación. En función de la disposición de los difusores de aire, se establecen zonas aerobias y zonas anoxias en el reactor, y su alternancia permite la eliminación del nitrógeno.
    • SBR: mediante en un proceso discontinuo secuencial se pueden eliminar tanto la materia orgánica como los nutrientes. En el caso de un reactor SBR todos los procesos se dan lugar en el mismo reactor, pero de forma secuencial en el tiempo. Para trabajar de forma discontinua, es indispensable disponer de un depósito que acumule previamente el agua residual que va llegando al sistema de tratamiento.
    • Proceso anaerobio: mediante un tratamiento anaerobio de las aguas residuales se puede eliminar tanto la materia orgánica como el nitrógeno, sin consumo de oxígeno. Como producto de la secuencia de transformaciones que se producen en el interior del proceso, parte del carbono del agua residual acaba en forma de biogás, una mezcla revalorizable de dióxido de carbono y metano.

Las tres alternativas de tratamiento biológico son eficientes, robustas y cada una con sus ventajas y restricciones. No obstante, se debe destacar que la opción del tratamiento biológico anaerobio es la que conlleva unos costes de operación inferiores por el menor consumo energético a la vez de la generación de biogás.

Así pues, los mataderos/salas de despiece generan grandes cantidades de efluentes con una elevada carga orgánica, tanto disuelta como en suspensión, además de nitrógeno, fósforo, aceites y grasas y patógenos. El sistema de tratamiento más recomendable se basa en el diseño de un sistema completo formado por un pretratamiento del agua, en el que se eliminen sólidos gruesos y finos, además de aceites y grasas, y un tratamiento biológico que elimine la carga orgánica y los nutrientes del agua. Si el tratamiento biológico es anaerobio, el biogás generado puede ser aprovechado para la producción de energía eléctrica, la cual reducirá le consumo global de la instalación.

Fundamentos de la ósmosis inversa

La técnica de la ósmosis inversa ha evolucionado ámpliamente en las últimas décadas y ha pasado de ser una tecnología emergente a ser un proceso consolidado, eficiente y competitivo. No obstante, ¿en qué consiste exactamente la ósmosis inversa? Para contestar a esta cuestión, primero analizaremos en qué consiste el proceso de ósmosis.

La ósmosis es una operación de equilibrio en la que moléculas de un solvente son capaces de atravesar una membrana permeable para diluir una solución más concentrada. Si se dispone de un equipo como el de la figura (a) en el que dos soluciones de diferente concentración de sal y que se encuentran a presión atmosférica están separadas por una barrera física, en el momento en que se retira la barrera que las separa, se produce una difusión de forma natural y se igualan las concentraciones de ambas soluciones, momento en el que se llega al equilibrio. Al principio, habrá un flujo que será mayoritario e irá de la solución más diluida a la más concentrada, pero a medida que las concentraciones se vayan igualando, los flujos también se irán emparejando y el flujo neto será cero.

En la figura (b) se dispone del mismo montaje experimental, pero ahora las dos soluciones están separadas por una membrana semipermeable, la cual deja pasar a través suyo el solvente pero no los iones ni moléculas de mayor tamaño. En este caso se vuelve a producir el fenómeno de la ósmosis, el solvente de la solución más diluida atraviesa la membrana hacia la solución más concentrada. En cambio, los iones de la solución más concentrada, al no poder atravesar la membrana, quedan confinados. Como resultado de esta transferencia de solvente de un lado al otro de la membrana, en la parte superior de los tanques se observa como el nivel de ambas soluciones ha variado. Mientras que el nivel de la solución más diluida ha disminuido, el nivel de la solución más concentrada ha aumentado. Una vez el flujo se ha parado – figura (c) – y el nivel de los dos tanques ya no varía más en relación al tiempo, el sistema ha llegado al equilibrio. La diferencia de niveles de líquido entre los dos tanques genera una presión hidrostática que equivale exactamente a la presión osmótica. De hecho, la presión osmótica se define como la presión hidrostática necesaria para detener el flujo de solvente a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de diferente concentración.

Si cuando el solvente está fluyendo de la solución más diluida a la solución más concentrada,  con el objetivo de igualar las dos concentraciones, se ejerce una ligera presión en la solución de mayor concentración, el flujo a través de la membrana disminuye.

Si se aumenta paulatinamente la presión ejercida, se llega a un punto en el que el flujo a través de la membrana es cero, es decir, el solvente deja de atravesar la membrana. La presión que se está ejerciendo en ese momento es igual a la presión osmótica. Y si se incrementa la presión ejercida, el flujo se invierte y el solvente atraviesa la membrana en la dirección contraria, es decir, pasa del lado de la solución más concentrada al lado donde se encuentra la solución más diluida. Este proceso recibe el nombre de ósmosis inversa.

Así pues, la ósmosis inversa consiste en separar el solvente de una solución concentrada, que pasa a través de una membrana semipermeable, mediante la aplicación de una presión, la cual deberá ser, como mínimo, superior a la presión osmótica. Cuanto mayor sea la presión aplicada, mayor será el flujo de permeado a través de la membrana.

Este proceso es especialmente atractivo por la elevada selectividad de las membranas, las cuales permiten el paso del solvente, pero apenas pueden pasar los iones y moléculas de pequeño tamaño disueltas en la solución. Esto hace que esta técnica sea especialmente interesante para una gran variedad de aplicaciones, como la desalación del agua de mar, el tratamiento de efluentes líquidos, la purificación del agua para la industria alimentaria, farmacéutica, etc.

La ósmosis y la ósmosis inversa son dos fenómenos que se producen de forma natural en el interior de los seres vivos. Por ejemplo, mediante la ósmosis las células de nuestro organismo, que están envueltas por una membrana semipermeable, permiten el paso de nutrientes dentro y fuera de la célula, favoreciendo así tanto la incorporación de nutrientes necesarios para el metabolismo celular, como la expulsión de los deshechos del metabolismo celular.

diágrama ósmosis inversa

Tratamiento de efluentes en la industria de tratamiento de superficies

aguas residuales superficies metálicasLa actividad de la industria dedicada al tratamiento de superficies consiste en recubrir superficies metálicas o plásticas mediante diferentes técnicas, con la finalidad de aumentar sus cualidades, como proteger las superficies contra la corrosión y el desgaste, variar su conductividad eléctrica, etc. Aunque el abanico de tratamientos aplicados y de recubrimientos posibles es extenso, uno de los más habituales es el de la galvanoplastia. Éste es un proceso basado en la electrodeposición en el que se recubre la superficie a tratar de una capa de varias decenas de micras de un metal que aporta unas características deseadas. Así, tienen lugar procesos como el cromado, el niquelado, el cincado, el cobreado, el cadmiado, el estañado, etc.

El procedimiento consiste en la inmersión de la superficie a tratar en un baño electrolítico, de manera que los iones metálicos presentes en la solución se reducen sobre la superficie a recubrir. Aunque se pueden hacer recubrimientos de muchos metales diferentes, los más usuales son zinc, oro, níquel, cobre y cromo, además del anodizado, que se fundamenta en la conversión de la superficie metálica en un recubrimiento de óxido insoluble, siendo el aluminio el material de anodizado utilizado más común.

La actividad del tratamiento de superficies produce durante el proceso dos tipos de efluentes líquidos muy diferenciados. Por un lado, efluentes con elevadas cargas contaminantes y relativamente poco volumen (es el caso de los baños de procesos saturados). Y, por otro lado, efluentes con baja carga contaminante pero producidos en gran volumen, generalmente en las operaciones de lavado. Tanto unos como otros, se generan habitualmente en los siguientes procesos: desengrase, enjuague o lavado, decapado y recubrimiento electrolítico, además de los baños electrolíticos una vez agotados.

La naturaleza de la carga contaminante que incorporan los efluentes líquidos producidos suele ser DQO, aceites y grasas, tensioactivos, metales, alcalinidad, acidez, cianuro y sales, entre otras especies presentes en menor proporción. Ante la complejidad de tratar estos efluentes, existen principalmente dos alternativas de tratamiento: una opción consiste en utilizar técnicas de separación y descontaminación, como el intercambio iónico, la electrólisis selectiva, la electrocoagulación, la neutralización y posterior precipitación o la tecnología de membranas (microfiltración y ultrafiltración); con la finalidad de eliminar la toxicidad y contaminación del efluente y que éste pueda ser vertido al sistema público de saneamiento o bien a cauce natural. La otra opción se basa en la utilización de técnicas de concentración (básicamente, evaporación al vacío), con el objetivo de dividir el efluente en dos corrientes, una de agua apta para su reutilización en el proceso, y otra de un residuo muy concentrado, preparado para ser gestionado externamente. El estado del arte de todas estas tecnologías permite su aplicación con elevadas garantías de hacer posible y eficiente el tratamiento de estos efluentes.

Los efluentes producidos en los distintos procesos tienen características muy diferentes. En función de estas características, suele existir una técnica más eficiente, específica, para cada caso. Por ejemplo, para el efluente producido en la operación de desengrase de las piezas a recubrir, las mejores técnicas aplicables son la evaporación al vacío (con un periodo de retorno de la inversión de 4,5 años) y la electrocoagulación (con un periodo de retorno de la inversión de 10 años); en el proceso de cobre cianurado se genera un efluente en el que la mejor técnica de tratamiento también es la evaporación al vacío y en el proceso de recubrimiento con la aleación de cinc y níquel se genera un efluente en el que su tratamiento más eficiente y económico es una oxidación anódica y una electrólisis (con un periodo de retorno de la inversión de 7 años). Por tanto, para cada efluente, en función de sus características y especificidades, la tecnología de tratamiento óptima puede variar.

No obstante, la única tecnología siempre eficiente y, en la mayoría de los casos, la más económica -con un periodo de retorno de la inversión menor- es la evaporación al vacío. Además, cuando los efluentes líquidos no están segregados, es la única técnica viable. Así sucede también cuando la producción de los diferentes efluentes es espaciada en el tiempo (producción en discontinuo en función de la demanda); en estos casos la empresa no suele poder disponer de un amplio abanico de técnicas específicas, las cuales suponen una cierta inversión económica.

Así pues, los principales retos ambientales a superar por parte de la industria de tratamiento de superficies son el elevado consumo de agua y la generación de grandes volúmenes de efluentes líquidos. Aunque éstos, en función de sus características, tienen una tecnología de tratamiento asociada como la más recomendable, no siempre es posible segregar todos los efluentes y tratar cada uno de forma individualizada con la tecnología óptima. La evaporación al vacío es una técnica que para una amplia variedad de efluentes, como es el caso de los generados en los procesos de desengrase o de recubrimiento de cobre cianurado, es la más óptima. Y, además, es la única técnica eficiente y viable cuando todos los efluentes están mezclados o sólo se puede disponer de una única tecnología de tratamiento para todo los efluentes producidos.