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Ingeniería ambiental

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

Concienciación ambiental industrial

industria y medio ambienteLa amenaza que supone el cambio climático, así como la contaminación de las grandes urbes, ha hecho que la ciudadanía esté concienciada y preocupada por las consecuencias del trato que se le da al medio ambiente, por los excesos que se le infringen y por la posibilidad de que éstos nos conduzcan a situaciones difíciles e irreversibles.

Cada vez se halla más consenso sobre la necesidad de poner en práctica procesos industriales que no pongan en riesgo ni comprometan las capacidades del futuro para satisfacer nuestras necesidades, actuales y futuras. Así, el desarrollo sostenible es totalmente necesario y los gobiernos de la mayoría de países intentan poner en práctica medidas para que su implantación sea una realidad.

La sostenibilidad de un proceso industrial se fundamenta en cuatro pilares fundamentales, que son la gestión de los residuos que produce, la gestión del agua que consume, la gestión de las emisiones gaseosas que origina y la optimización de los requerimientos energéticos.

Gestión de los residuos producidos

La gestión óptima de los residuos es aquella que conduce a la no generación de residuos. Y, en su defecto, la que posibilite la generación de la mínima cantidad posible. La prevención y minimización de la producción de residuos es el objetivo básico a alcanzar como primera opción, puesto que minimizar la cantidad de residuos generados es la mejor vía para reducir el impacto ambiental.

No obstante, es muy difícil evitar completamente la producción de residuos. En este caso, se deben buscar alternativas que permitan su reutilización. De este modo se reduce el consumo de algunas sustancias primas a la vez que se le da una salida eficiente a los residuos.

En el caso de no poder reutilizar los residuos generados, el paso siguiente es intentar su reciclaje, es decir, que puedan ser de utilidad para cualquier otra aplicación. Si todas estas opciones resultan fallidas, antes de la disposición final del residuo, es conveniente intentar recuperar toda la energía posible, mediante procesos tales como la gasificación, la pirolisis o la incineración.

Gestión del agua consumida

Otro aspecto clave a la hora de promover el desarrollo sostenible de un proceso industrial atañe a la gestión del agua. Igual que en el caso de los residuos sólidos, la opción más satisfactoria pasa por no generar aguas residuales. Sin embargo, a menudo este extremo no es factible. Entonces, será prioritario generar el mínimo volumen de aguas residuales. Por lo que se refiere a las aguas residuales producidas, la opción más sostenible consiste en un tratamiento exhaustivo que permita alcanzar una calidad suficiente como para que éstas sean reutilizadas. Recuperando el agua del efluente para su reutilización también se minimiza el consumo de agua externa al proceso. Actualmente el estado del arte de numerosas tecnologías hace realmente posible esta alternativa de gestión. Pero, si no se reutilizan sea cual sea el motivo, se deben someter necesariamente a un tratamiento que elimine los contaminantes, como paso previo a su descarga. Así, su vertido no producirá ningún tipo de impacto ambiental.

Gestión de emisiones gaseosas

El proceso industrial debe evitar cualquier situación que suponga la emisión de gases contaminantes a la atmósfera. La alternativa más sostenible, y a menudo más económica, es la modificación del proceso con la finalidad de evitar, o al menos reducir, la producción de gases contaminantes. No obstante, esta opción no es siempre viable.

Cuando no es posible evitar completamente la generación de gases contaminantes, se deben concentrar los esfuerzos en su tratamiento. Afortunadamente, existen técnicas muy competitivas que permiten convertir los gases contaminantes en gases inocuos.

Optimización del consumo energético

La sostenibilidad y la economía van estrechamente de la mano en cuanto al consumo de la energía. Todas las estrategias de optimización conducen al mismo objetivo, que no es otro que reducir tanto como sea posible el consumo neto de energía. Este objetivo global se puede alcanzar trabajando en aspectos diferentes. Por un lado, modificando los procesos que no sean eficientes desde el punto de vista energético e incluso sustituyéndolos por otros diseños más eficientes. Por otro lado, también se puede actuar a nivel de combinar los diferentes procesos que tienen lugar en la misma industria con la finalidad de aprovechar sinergias. La energía que hace falta disipar en un proceso, puede que sea de utilidad en otra operación donde sea preciso aportar energía. También deben ser exploradas las opciones posibles de cogeneración, donde un residuo con suficiente poder calorífico o una fuente residual de energía pueden ser aprovechados para generar energía eléctrica. El funcionamiento de un sistema de cogeneración redunda en un menor consumo energético neto.

Así pues, la adopción de medidas que supongan economizar recursos, ya sean materiales o energéticos, suponen incrementar la productividad del proceso industrial, además de hacerlo ambientalmente más sostenible. Este hecho aúna el intangible del respeto por el medio ambiente con un probable ahorro económico. Asimismo, la legislación que la mayoría de gobiernos van aprobando va en la línea de fomentar que la opción más económica acabe resultando ser la más sostenible ambientalmente.

Tratamiento de aguas residuales en la industria papelera

Aguas residuales Industria papelera

El papel, material tan utilizado en nuestro día a día, consiste en un entramado de fibras vegetales con un elevado contenido de celulosa que han sido tratadas mediante diferentes procesos basados en el uso del agua, dispuestas sobre un tamiz y finalmente secadas. Estas fibras pueden provenir de diferentes plantas y árboles, pero la fuente mayormente empleada es la de madera de coníferas, por la elevada longitud y resistencia de sus fibras. Un tercio de toda la madera procesada en el mundo tiene como finalidad la producción de papel y de pulpa.

La fabricación de papel consume una gran cantidad de recursos, especialmente agua y energía, aunque también precisa en gran cantidad de materia prima y de productos químicos. Aproximadamente se necesitan entre 2 y 18 m3 de agua (depende del sistema de gestión de los efluentes y de si se recupera el agua) y entre 2 y 2,5 toneladas de madera para producir una tonelada de papel.

En el proceso de fabricación de papel el agua sirve de medio de desintegración de la materia prima, transporte de las fibras y formación del papel. El proceso empieza con la separación de la celulosa del resto de sustancias (lignina, aceites, resinas, etc.), la cual supone el 50% en peso. Para la extracción de las fibras de celulosa, primero se debe moler la madera (pulpa mecánica), o bien someter las astillas de madera a un tratamiento químico (pulpa química). En este segundo caso, el tratamiento puede ser, o bien mediante la utilización de un producto alcalino (sulfato o sosa caústica), o bien mediante el uso de sulfito. En ambos casos se busca solubilizar la lignina para que las fibras de celulosa se liberen. Los dos tratamientos presentan diferencias importantes. En el método alcalino se generan unos efluentes de color negro muy contaminantes los cuales son tratados para recuperar el sulfuro de sodio y la sosa caústica. En el método del sulfito también se pueden recuperar parte de los productos químicos utilizados, como es el caso del ácido sulfúrico. Pero los productos químicos que no pueden ser recuperados se pierden con los efluentes residuales, además de restos de celulosa que no ha sido retenida y que confiere una elevada DQO al efluente. Si la pulpa se obtiene mecánicamente, la calidad de la pasta obtenida es menor pero no se producen tantos residuos líquidos. A la práctica, sólo el 30% de toda la pulpa producida a nivel mundial se obtiene mediante el proceso mecánico.

Los restos de lignina que quedan junto a las fibras de celulosa le proporcionan color a la pasta, especialmente en el caso de la pulpa mecánica. Para la obtención de pulpa blanca es necesario someter la pulpa a un proceso de blanqueo, el cual puede ser llevado a cabo de diferentes maneras. Una alternativa consiste en el uso de peróxido de hidrógeno que, aunque no elimina la lignina, sí que este oxidante le sustrae el color. Otras tecnologías de blanqueo, mucho menos sostenibles ambientalmente, se basan en la utilización de cloro gas o de dióxido de cloro, los cuales oxidan la lignina con una elevada eficacia. No obstante, al tratarse de agentes muy reactivos, inevitablemente también reaccionan con compuestos orgánicos presentes en la pulpa y generan una gran cantidad de compuestos organoclorados, incluyendo dioxinas y furanos. Otra opción para blanquear la pulpa que no genera subproductos consiste en la utilización de ozono, el cual ha desplazado el uso de cloro al no producir contaminantes.

La mezcla de diferentes tipos de pulpa húmeda con sustancias de relleno (carbonato de calcio, caolín, dióxido de titanio, etc.) y con otros aditivos (sulfato de aluminio, colorantes, almidón, látex, etc.) se extiende uniformemente sobre un soporte metálico y se seca, obteniéndose el papel. Para la obtención de papel para escritura o impresión, la superficie de papel se alisa posteriormente mecánicamente.

En todos estos procesos se consume un elevado volumen de agua, la cual debe de ser además de gran calidad. Estas características singularizan a la industria papelera. Como resultado de la producción de papel y de pasta, los efluentes generados contienen una elevada contaminación debida a más de 250 compuestos diferentes. Algunos son de origen natural, proceden de la madera (lignina, taninos, etc.), otros son sintéticos, incorporados al efluente en los procesos de fabricación y blanqueo de las pastas de celulosa, como es el caso de fenoles, dioxinas y furanos.

Para evitar el impacto ambiental que supondría el vertido directo de estos efluentes al medio ambiente, existen dos estrategias diametralmente opuestas. La opción más sencilla consiste en tratar adecuadamente los efluentes y descargar el caudal tratado al medio ambiente. No obstante, existe una alternativa más sostenible y en la mayoría de los casos también más económica, que se basa en tratar los efluentes con la finalidad de recuperar el agua para su reutilización. Así, se desea alcanzar un doble objetivo: la minimización del agua consumida y la minimización de los residuos líquidos. Este modelo de gestión es denominado «ciclo cerrado» o lo que es equivalente, un sistema de vertido cero.

Tratamiento de las aguas sin reutilización (ciclo abierto)

En este caso, el objetivo del tratamiento es la reducción de la contaminación de los efluentes en grado suficiente para que puedan ser vertidos cumpliendo la normativa y así evitar cualquier impacto ambiental.

Los efluentes a tratar incorporan valores extremos de pH, elevado contenido de materia orgánica, sólidos en suspensión, compuestos organohalogenados (AOX), nitrógeno y fósforo entre otros contaminantes.
Un tratamiento satisfactorio de los efluentes comprendería etapas como una homogeneización y neutralización de pH, una coagulación-floculación previa a una decantación y finalmente la eliminación de la materia orgánica mediante un proceso biológico (anaerobio o aerobio) o mediante una oxidación avanzada (con ozono, Fenton o foto-Fenton). Posteriormente a todas estas etapas el efluente podría ser vertido al medio ambiente.

Tratamiento mediante un sistema de vertido cero (ciclo cerrado)

La implantación de un sistema de vertido cero no es meramente una tecnología de tratamiento de los efluentes, sino que representa un concepto mucho más amplio. Se trata de un sistema de gestión ambiental que persigue el menor impacto ambiental del proceso en su conjunto. Así, se minimiza tanto la generación de vertidos líquidos como el consumo de agua potable mediante la reutilización del agua recuperada de los efluentes.

Para conseguir tratar los efluentes hasta conseguir una calidad suficiente que permita la reutilización del agua recuperada, se deberían diseñar un tratamiento más exhaustivo que en el caso anterior. Inicialmente es necesaria una etapa de homogeneización y neutralización de pH y una decantación para sedimentar los sólidos en suspensión de mayor tamaño de partícula. A continuación, continua el tratamiento con una oxidación avanzada (ozonización preferiblemente) para destruir los moléculas orgánicas de gran tamaño y que pueden ser refractarias en un posterior proceso biológico, un tratamiento biológico anaerobio, en el que se reduzca el contenido de materia orgánica disuelta en el líquido a la vez que se genera biogás y una filtración del efluente de la digestión, primero mediante filtros de arena y posteriormente con membranas de ultrafiltración. Finalmente un proceso de ósmosis inversa finaliza el tratamiento. El permeado de la ósmosis inversa tiene la calidad necesaria para poder ser reutilizado dentro del proceso de fabricación de papel, mientras que los rechazos se tratan mediante un proceso de evaporación al vacío para reducir todo lo posible su volumen. El agua recuperada en la evaporación también puede ser reutilizada mientras que el concentrado, un volumen mínimo, se debe gestionar como un residuo. Los lodos generados en el proceso de digestión anaerobia, conjuntamente con residuos vegetales como cortezas de árboles, serrín, etc. que se generan en la preparación inicial de la madera, se queman en una caldera. Y tanto el calor producido en la caldera, como el generado en el aprovechamiento del biogás, sirven para satisfacer los requerimientos energéticos del evaporador al vacío.
Así de este modo, se recupera la mayor parte del agua utilizada en el proceso, se genera una cantidad mínima de residuo a gestionar externamente, energéticamente se producen grandes sinergias entre diferentes procesos, por lo que a nivel global, se dispone de un sistema de gestión ambiental muy sostenible.

Cabe destacar que la implantación de un sistema así es más compleja cuanto mayor es la contaminación de les efluentes. Para garantizar el éxito de la implantación es fundamental introducir en el proceso de fabricación de papel y pulpa todas las mejoras posibles que permitan generar menos compuestos contaminantes. Es el caso de la sustitución del cloro y sus derivados, en el proceso de blanqueo de la pasta, por compuestos de oxígeno (peróxido de hidrógeno u ozono).

Los países más contaminantes y los más sostenibles del mundo

En las últimas décadas han habido numerosas iniciativas para hallar un método preciso que permita cuantificar y comparar el esfuerzo de los diferentes países en relación a su política ambiental y a las actuaciones realizadas con la finalidad de mitigar el impacto ambiental. De todos los métodos ideados, el Índice de Desempeño Ambiental es el que más consenso reúne y ha sido adoptado por un mayor número de universidades e instituciones públicas.

El Índice de Desempeño Ambiental (EPI, Environmental Performance Index) es un método de cálculo que permite cuantificar el desempeño ambiental de un país en base a sus políticas en materia de medio ambiente. Este índice lo ha desarrollado la Universidad de Yale (USA) y se publica desde 1999 cada dos años (aunque de 1999 a 2005 se calculaba ligeramente diferente y se denominaba Índice de Sostenibilidad Ambiental, ESI). Paulatinamente se van añadiendo más países objeto de análisis y en la última edición del informe, publicado en 2012, se presentan datos de 178 países.

El EPI se obtiene mediante el cálculo y la agregación ponderada de 20 indicadores que reflejan la situación ambiental a nivel nacional. Estos indicadores se agrupan en nueve categorías diferentes, que a su vez, se concentran en dos grandes objetivos: el primero, salud ambiental, el cual mide la protección de la salud humana en relación a daños ambientales, y el segundo, vitalidad de los ecosistemas, que evalúa la protección de los ecosistemas y la gestión de los recursos naturales. El primer objetivo engloba tres categorías de indicadores: (1) el impacto del medio ambiente en la salud, (2) los efectos de la calidad del aire en la salud, y (3) agua potable y saneamiento. El objetivo que analiza la vitalidad de los ecosistemas aglutina seis categorías de indicadores: (1) recursos hídricos, (2) recursos agrícolas, (3) recursos forestales, (4) recursos pesqueros, (5) biodiversidad y hábitat y, por último, (6) cambio climático. Esta batería de 20 indicadores establece una imagen representativa de los diferentes aspectos ambientales del país.

Los cálculos se inician transformando la información preliminar en indicadores de desempeño estandarizados y comparables, mediándose de datos de población, de producción industrial, etc. Para el cálculo de los indicadores EPI se utiliza una tecnología denominada “proximidad al objetivo”, la cual evalúa cómo de cercano está el país del objetivo fijado por una norma determinada. Los objetivos son previamente determinados por las políticas nacionales o internacionales o por los umbrales científicos establecidos y comúnmente aceptados. Los indicadores reciben una puntuación comprendida entre 0 y 100, siendo 0 la posición más alejada a la consecución del objetivo y 100 la puntuación más cercana posible al objetivo.

La cuantificación de los indicadores permite un doble propósito: por un lado es posible la comparación de distintos países entre sí e incluso realizar un ranking de países en función de un aspecto ambiental elegido. Por otro lado, los indicadores permiten analizar, para un país determinado, la evolución que ha seguido en los últimos años respecto a un indicador concreto.

Por tanto, una vez calculados los EPI para 2012, se pueden contestar preguntas del tipo ¿Cuál es el país que más contamina? ¿Cuál es el país industrializado más sostenible a nivel ambiental? ¿Qué país latinoamericano es el que más ha mejorado a nivel ambiental en los últimos 10 años? A continuación se muestran diferentes resultados obtenidos mediante el cálculo y el posterior análisis de los indicadores:

1. Gráfica sobre el acceso al agua potable limpia

Mapa agua potable y limpia2. Ranking de los 30 países más sostenibles a nivel ambiental

Países más sostenibles3. Ranking de los 10 países que peor tratan al medio ambiente

Países más contaminantes4. Ranking de los países latinoamericanos que más han mejorado en cuanto a sostenibilidad ambiental

Contaminación latinoaméricaAsí pues, el EPI es una excelente herramienta que permite analizar y comparar la situación de un país en función de las actuaciones realizadas con la finalidad de cumplir sus objetivos ambientales fijados. Constituye un método de cálculo que ha sido validado por numerosos investigadores de distintas universidades e instituciones públicas. No obstante, también se debe tener en cuenta que existen aspectos ambientales que aún no se tienen en cuenta a la hora de calcular los indicadores. Es el caso de información como la calidad del agua dulce, la gestión de los residuos sólidos urbanos, la seguridad nuclear, la pérdida de zonas húmedas, los porcentajes de reciclaje de los diferentes tipos de residuos y la adaptación y la vulnerabilidad al cambio climático entre otra. No obstante, a pesar de no incorporar esta información, la imagen resultante de la batería de indicadores ambientales que integran el EPI resulta muy representativa de la situación ambiental del país.

Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos

Esta técnica de evaporación permite de forma eficiente, limpia, segura y compacta tratar efluentes que mediantes técnicas fisicoquímicas o biológicas no es viable.

Algunas de las ventajas y posibilidades que presenta la evaporación al vacío

  • Reducción drástica del volumen de residuo líquido (con el consecuente ahorro en gestión de residuos)
  • Concentración de residuos corrosivos o incrustantes
  • Reutilización del agua recuperada
  • Implementación de sistemas de vertido cero

Definición de Evaporación

La evaporación es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución mediante la eliminación del solvente por ebullición. En este caso, se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica. Así, la temperatura de ebullición es sustancialmente inferior a la correspondiente a presión atmosférica, lo que conlleva un gran ahorro energético.

Para saber más

Evaporador al vacio - Fundamentos de la evaporación al vacío

Evaporador al vacio – Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación es una operación controlada únicamente por la velocidad de transferencia de calor

Factores de los que depende la velocidad de evaporación:

Diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

La temperatura de ebullición del líquido a evaporar va aumentando a medida que se va concentrando. No obstante, al operar en condiciones de vacío, la diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar se amplía, ya que la temperatura de ebullición de la mezcla es muy inferior a la correspondiente a presión atmosférica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de evaporación.

Área de intercambio

El área de intercambio efectiva depende de la geometría del equipo y de fenómenos inherentes a la concentración de la disolución, como es el caso de la deposición de sólidos o de incrustaciones sobre la superficie de intercambio. A mayor área, mayor capacidad de intercambio de calor y mayor velocidad de evaporación.

Coeficiente global de transferencia de calor (U)

Este coeficiente depende de las propiedades físicas de los fluidos que intervienen (agente calefactor y líquido a evaporar), del material de la pared en la que se produce el intercambio de calor, del diseño y geometría del equipo, así como de los parámetros de flujo (velocidades de circulación de los fluidos, etc.). Cuanto más grande sea este coeficiente, mayor facilidad tiene el equipo para intercambiar calor.

Propiedades del líquido a evaporar

La viscosidad, la posibilidad de formación de espumas, su capacidad de corroer, etc. influyen a la práctica en la velocidad de transferencia de calor.

El parámetro clave del diseño de un evaporador es el área de intercambio necesaria para la evaporación. Para calcular esta área, se deben plantear balances de materia y energía. Para el caso de un evaporador en el que se alimenta una corriente F y se extraen dos corrientes, la de concentrado S y la de destilado E, como el de la figura:

Parámetros de la evaporación en vacío

Parámetros en la evaporación al vacío

 

Se pueden plantar estos balances de materia y energía:

Balance de materia global

F = E + S
V = C

Balance de materia para el soluto

F xF = S xS

Balances de energía:

V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A T

Donde Q es el caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador, U el coeficiente global de transferencia de calor, A el área necesaria para la evaporación y T la diferencia de temperaturas entre el agente calefactor y el líquido a evaporar.

Uno de los elementos que establece diferencias importantes de funcionamiento entre los tipos de evaporadores al vacío es la tecnología que utilizan para calentar el efluente a evaporar, aspecto que determina los costes de operación. Así, podemos encontrar los siguientes:

Tipos de evaporadores

Evaporadores al vacío por bomba de calor

El funcionamiento de este sistema se basa en el ciclo frigorífico de un gas, el cual se encuentra en un circuito cerrado. El gas frigorífico se comprime mediante la acción de un compresor aumentando su presión y temperatura. Circula a través del intercambiador de calor del propio evaporador, calentando el alimento. Al trabajar al vacío, la temperatura de ebullición es del orden de 40 ºC. El líquido refrigerante abandona el intercambiador del evaporador y, mediante una válvula de expansión, se descomprime y enfría. Al pasar por un segundo intercambiador de calor, el condensador, hace que el vapor formado en el evaporador condense, a la vez que aumenta su temperatura justo antes de volver a pasar por el compresor y repetir así el ciclo. El mismo fluido refrigerante permite evaporar el alimento así como condensar el vapor generado, por lo que el sistema no precisa de otras fuentes ni de calor ni de refrigeración. Este hecho hace que sea un proceso muy ventajoso desde el punto de vista económico y de gestión.

Es una tecnología idónea para tratar caudales no elevados de líquidos corrosivos, incrustantes o viscosos. Su funcionamiento puede suponer un consumo de energía de 130-170 kWh por metro cúbico de destilado.

Evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor

Esta tecnología se basa en la recuperación del calor de condensación del destilado como fuente de calor para evaporar el alimento. Para conseguirlo, la temperatura del vapor generado en la evaporación se incrementa comprimiendo éste mecánicamente. Este vapor comprimido, y por tanto sobrecalentado, al pasar por el intercambiador del propio evaporador, consigue un doble objetivo: (1) calienta el líquido a evaporar y (2) condensa, economizando el uso de un fluido refrigerante.

Es un sistema de evaporación muy eficiente y competitivo. Su consumo energético está sobre los 50-60 kWh por cada metro cúbico de destilado obtenido.

Evaporadores al vacío de múltiple efecto

Esta tecnología consiste en un conjunto de evaporadores conectados entre sí en serie en el que el vacío aumenta progresivamente del primero al último. Esto hace que la temperatura de ebullición, en principio, vaya disminuyendo, por lo que es posible utilizar el vapor generado en un evaporador (o efecto) como fluido calefactor del siguiente efecto.

Su principal ventaja respecto a un único evaporador reside en el ahorro tanto de fluido calefactor como de fluido refrigerante. Para tratar caudales elevados, ésta es una de las opciones más competitivas a nivel económico.

A modo de resumen cabe destacar que la evaporación al vacío permite el tratamiento de efluentes que por su composición, por sus características o por su complejidad de gestión no pueden ser tratados mediante técnicas fisicoquímicas convencionales. Además, con un consumo energético contenido, hace posible reducir severamente el volumen de residuos, recuperar un gran caudal de agua para su reutilización e incluso la implantación de un sistema de vertido cero con un coste económico realmente asumible.

Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales

A pesar de que son sistemas sencillos de operar, es preciso que la selección y el diseño del equipo más adecuado para unas necesidades concretas sean realizados por un equipo de expertos en esta tecnología.

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