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La cogeneración para abastecer plantas de tratamiento de aguas y aguas residuales

La generación de energía eléctrica se puede llevar a cabo mediante una gran variedad de procesos.

En la mayoría de estos procesos encontramos una dinamo o alternador que son movidos por un motor térmico o una turbina. Para mover dicha turbina se utiliza vapor a alta temperatura, que se obtiene calentando el agua ultra pura que se ha obtenido en la planta de tratamiento de aguas (PTA).

Al generar la energía eléctrica no se aprovecha todo el calor del vapor. Esta energía térmica “sobrante” puede ser emitida a la atmósfera, con lo que se pierde y no se aprovecha todo su potencial, o puede ser reaprovechada.
Aquí es donde entran en escena las diferentes técnicas de cogeneración, que permiten aprovechar una parte importante de la energía térmica que normalmente se disiparía en la atmósfera.

Las tecnologías de cogeneración permiten alcanzar unos rendimientos del 85%, si sumamos el vapor con el que se genera electricidad y el calor residual que se reaprovecha, lo que favorece a la obtención de elevados índices de ahorro energéticos sin alterar el proceso productivo.

Como ya hemos comentado en anteriores posts, los distintos tipos de centrales que hay para generar energía eléctrica necesitan de una planta de tratamiento de aguas (PTA), con la que limpiar de impurezas el agua que se ha de utilizar para transformarla en vapor, y de una planta de tratamiento de efluentes (PTE), que permita tratar los efluentes que se obtienen tras el proceso de generar energía eléctrica.

Las diferentes tecnologías utilizadas en la PTA y en la PTE tienen necesidades térmicas importantes, que pueden ser cubiertas mediante las plantas de cogeneración.

La clave es aprovechar los gases de escape y la energía térmica procedentes de los circuitos de refrigeración de los motores, aprovechándolos para aportar la energía calorífica necesaria para diferentes equipos como los evaporadores al vacío, los cristalizadores o las plantas de ósmosis inversa.

De esta forma, se consigue mejorar la eficiencia con intercambiadores para calentar el líquido antes de entrar al evaporador, aprovechando el calor latente de condensación de los vapores.

Reducción de los residuos líquidos en el sector de las artes gráficas

En este post vamos a repasar algunos de los principales residuos líquidos que se generan en el sector de las artes gráficas y las tecnologías más adecuadas para su tratamiento.

Recuperación de disolventes de limpieza residuales mediante destilación

Descripción: Los disolventes residuales empleados para la limpieza se pueden destilar y reutilizar. Existen equipos para la operación específica del destilado de estos disolventes.

Cuando se aplican sistemas de limpieza de grasa o de purgado, se emplean  disolventes para limpiar este sistema después de cada cambio de color. Los equipos modernos de suministro de tintas ya llevan incorporados equipos de recuperación de estos disolventes.

Beneficios ambientales alcanzados: Los beneficios ambientales conseguidos  mediante esta técnica son muy importantes: Por un lado, se consigue reducir la cantidad de disolventes residuales, que son una vez empleados gestionados como residuos contaminantes. Por otro lado, la utilización del disolvente reciclado reduce la cantidad necesaria de disolvente fresco de limpieza a consumir, lo que conlleva un importante ahorro económico.

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Datos operativos: El equipo de destilación debe ser instalado y operado con cuidado.

Los agentes de limpieza con un alto punto de inflamación normalmente también tienen un alto punto de ebullición. Para estos disolventes, sólo se puede aplicar un equipo de destilación a vacío, de forma que no se alcancen temperaturas excesivamente altas. En esta situación, sin embargo, el empleo de una membrana de filtración puede ser una alternativa más barata. Ya existen máquinas de lavado con un sistema de destilación incorporado.

Aplicabilidad: La recuperación de disolventes de limpieza mediante destilación es una técnica aplicable a todos los sectores industriales. En particular: En las industrias de impresión por huecograbado, flexografía y offset de secado por calor (heat-set offset) es de común aplicación la recuperación de disolventes por destilación. Es sobre todo muy empleada en plantas cuyo consumo supere los 200 litros de disolventes de limpieza a la semana.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Razones para su implementación: Reducción de las emisiones de COVs y cumplimiento de la normativa referente a los mismos. Ahorro económico en materias primas por reciclado de disolvente, y reducción de costes de gestión de residuos generados.

Destilación y evaporación de residuos de productos en base solvente

Descripción: Los residuos en base solvente, como por ejemplo las tintas, barnices y adhesivos empleados en las plantas de impresión pueden ser destilados y evaporados al vacío para recuperar el disolvente y reducir de esta manera la cantidad de residuos peligrosos.

Beneficios ambientales alcanzados: La cantidad de residuos contaminantes y/o peligrosos se reduce y se consigue una reducción en el consumo de materias primas (disolvente).

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Aplicabilidad: Esta técnica es aplicable en todas las instalaciones de impresión, tanto nuevas como existentes.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Reducción y tratamiento del agua residual mediante ultra y nanofiltración

Descripción: Con la ultrafiltración y la nanofiltración (UF y NF), también conocidas como ósmosis inversa, el agua contaminada pasa a través de una membrana semi-permeable a alta presión, que deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no las moléculas de mayor tamaño. La concentración de los compuestos contaminantes sobre la membrana se incrementa por el paso repetido del agua contaminada a través de esta membrana.

Beneficios ambientales alcanzados: Se reduce el volumen de sustancias contaminantes y el agua puede ser reutilizada para, por ejemplo operaciones de limpieza, etc. El residuo filtrado, por ejemplo de tinta o de pintura, puede ser recuperado y re-utilizado.

Efectos adversos: El agua filtrada si no es re-utilizada se vierte por el sistema de alcantarillado. La filtración requiere del consumo de energía

Aplicabilidad: Esta técnica es comúnmente aplicada en las plantas de impresión en las que se emplean grandes cantidades de tintas en base agua, barnices y adhesivos, como son las plantas de impresión de embalaje. También se emplea en la industria automovilística.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de ultrafiltración ó nanoflitración son bastante elevados.

Destilación al vacío

Descripción: Se trata de una destilación efectuada realizando un vacío en la columna, de forma que la ebullición del disolvente ó del líquido que se quiere separar se produzca a una Tª inferior a la que se produciría a la presión atmosférica. En el resto de las características, esta técnica es similar a la destilación convencional.

Aplicabilidad: Aplicable en toda la industria gráfica.

Evaporación al vacío para el tratamiento del digestato en plantas de biodigestión

Secciones

Situación actual

La actividad ganadera genera gran cantidad de residuos procedentes de la actividad biológica del ganado y una gran parte de los mismos no pueden ser aprovechados como abono, ya que, o bien el ganadero no puede usar la totalidad de los residuos porqué habría una sobre-nitrificación del campo, o bien proceden de la ganadería intensiva donde no existe una actividad agrícola asociada, por lo que se convierten en excedentes.

Según la actual normativa los purines que excedan de los parámetros establecidos y no puedan ser destinados a la actividad agrícola serán considerados como residuos, por lo que deberán ser sometidos a los procedimientos y los criterios de gestión establecidos en las normativas españolas y europeas.

El proceso de biodigestión se lleva a cabo principalmente para la producción de biogás, que puede ser utilizado como combustible, a partir de diferentes residuos orgánicos, entre los que se incluyen los excrementos animales.

Además de la obtención de biogás, la biodigestión también permite reducir el potencial contaminante de los excrementos que se utilizan para generar dicho biogás, disminuyendo la demanda química de oxigeno (DQO) y la demanda biológica de oxígeno (DBO) hasta en un 90%.

Como resultado de este proceso se genera un residuo llamado digestato, que presenta un alto grado de concentración de nutrientes y materia orgánica, y es ideal para ser utilizado como fertilizante.

El digestato es un subproducto semi-líquido y puede aplicarse de forma directa, o previa separación en dos fracciones, sólida y liquida, lo cual aumenta su eficacia.

Las ventajas que presenta el digestato como fertilizante son:

  • Respecto a los residuos orgánicos antes de su digestión, los digestatos son más aptos para uso agrícola, generan menos olores, y presentan una mayor calidad higiénica.

  • El digestato presenta un mayor grado de mineralización al pasar el nitrógeno y fósforo orgánico a mineral tras la fermentación. Esto lo hace asimilable a un fertilizante mineral. El alza en los precios de estos últimos constituye una oportunidad para los digestatos.

Producción de fertilizante
Al generar menos olores, ser más higiénicos y tener mejores propiedades químicas, los digestatos son una gran opción agrícola

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Procesos de separación

Para llevar a cabo la separación de la parte sólida y liquida se puede hacer:

Proceso de separación mecánica

En este caso, se lleva a cabo un tratamiento del purín mediante separación de residuos líquidos y sólidos. La parte sólida sería la que se aprovecharía como fertilizante y la parte líquida habría de ser gestionada como residuo.

El problema de esta tecnología es su baja eficacia a la hora de realmente separar los líquidos de los sólidos y la materia orgánica.

Esto se traduce en dos grandes inconvenientes para la planta de producción de biogás:

  • Desaprovechamiento de una gran parte de los sólidos y de la materia orgánica contenidos en el digestato, que no se consiguen separar, lo cual significa que se está obteniendo una cantidad mucho menor de fertilizante, y por tanto reduciendo los ingresos que se podrían obtener por su venta.

  • Aumento de la cantidad de residuo a tratar, ya que toda esta materia que no se aprovecha para producir fertilizante es un residuo que ha de ser tratado por un gestor y eso tiene un coste económico, es decir, se están convirtiendo lo que podrían ser ingresos en un gasto.

Planta de producción de biogás con evaporación de digestato

Después de analizar brevemente el proceso de separación mecánica, se puede concluir que es más rentable y eficiente reducir el volumen del digestato en la misma planta y recuperar esa gran cantidad de fertilizante que se pierde, ya que gracias a esta medida los costes por gestión de residuos se reducirían, a la vez que se aumentarían los ingresos por venta de fertilizante.

Este proceso se divide en dos partes:

  • En la primera parte los purines son mezclado con biomasa y transformados en biogás en un biodigestor. Posteriormente, este biogás es transformado en energía eléctrica en un combustor.

  • Tras este proceso de valorización se obtiene un efluente no vertible debido a su alta concentración de sales de amoniaco, conocido como digestato. Dicho digestato es tratado en un evaporador al vacío, que permite recuperar un 97% de agua limpia por una parte, y por otra un concentrado que puede ser convertido nuevamente en fertilizante estabilizado en un depósito de compostaje. La evaporación al vacío es la tecnología más adecuada para separar los sólidos de los líquidos del digestato.

El siguiente vídeo muestra el proceso de valorización y tratamiento de purines procedentes de cerdo y vaca mediante una planta de producción de biogás con evaporación de digestato.

Con un evaporador al vacío podemos separar entre un 90% y un 95% del agua de los sólidos y la materia orgánica, lo cual nos da un elevado concentrado de fertilizante.

Aunque su coste de inversión inicial es superior al de la separación mecánica, la mayor producción de fertilizante que se obtiene y los ahorros derivados de entregar una cantidad menor de residuos al gestor, compensan sobradamente dicha inversión inicial y lo convierten en una solución más económica a medio plazo.

Sus ventajas son numerosas:

  • La recuperación del fertilizante se incrementa y se ahorran importantes cantidades de dinero al no enviar digestato líquido al gestor de residuos.

  • El agua limpia (condensado) obtenida en el proceso de evaporación se puede usar como agua de mezcla en el principio del proceso de biogás, o ser vertida sin peligro si se prefiere.

  • El producto fertilizante combinado todavía se puede secar más y convertirse en fertilizante seco.

  • Una planta de evaporación es más eficiente eliminando agua del digestato que si se seca en una planta de secado.

  • Aumento de las ventas de fertilizante, que mejoran la rentabilidad de la planta de biogás.

  • El digestato es una sustancia que ensucia, lo cual alarga el tiempo de la operación. Los evaporadores de superficie rascada garantizan una operación sin paradas.

  • Los evaporadores pueden concentrar el digestato hasta altos niveles de concentración. Se obtienen concentrados viscosos de alta densidad.

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Tratamiento de vinazas mediante evaporación al vacío o biometanización

Es bien conocido que durante la producción de licor se lleva a cabo un proceso de  fermentación seguido por una destilación, en la cual el alcohol es separado del resto de la mezcla. Cuando, por ejemplo, se destila mosto fermentado de melazas para obtener alcohol etílico, se obtiene un residuo líquido de color oscuro llamado vinaza.

Así pues, las vinazas son el residuo de los procesos de destilación que llevan a cabo los productores de bebidas alcohólicas. Estos resiudos acostumbran a ser aprovechados a las alcoholeras, que acumulan los residuos de numerosos fabricantes para producir alcohol para uso industrial.

La cantidad de vinaza que se obtiene  por parte del productor de bebidas alcohólicas es del orden de 12 a 13 veces la cantidad de alcohol producido, lo cual implica que se genera un alto volumen de residuos. Esta vinaza contiene una relación promedio de 90% de agua y  10% de sólidos.

En cuanto a la composición de las aguas de vinaza, cabe destacar que contienen sustancias no biodegradables o muy difíciles de someter a un tratamiento físico-químico, debido a su elevada carga orgánica, salinidad y la presencia de sólidos en suspensión, por lo cual los métodos tradicionales no resultan suficientemente eficientes para obtener un efluente que pueda ser vertido o reutilizado, ni para destilar el alcohol que se encuentra en las vinazas.

Una de las mejores alternativas para su tratamiento es proceder a un proceso de concentración por evaporadores al vacío a múltiple etapa. Con este proceso se pueden tratar caudales elevados, como se acostumbran a encontrar en las alcoholeras, y alcanzar concentrados de unas 5 veces en volumen.

Gracias a los evaporadores al vacío para caudales elevados se obtienen los siguientes resultados:

  • Se obtiene el alcohol para uso industrial.
  • Se obtiene agua limpia que se puede reutilizar o verter sin peligro.
  • Se obtiene un concentrado de residuos que pueden ser valorizados mediante su transformación en energía.

Dado que las vinazas de la columna de destilación suelen descargarse a unos 85ºC., el concentrado que se obtiene tras el proceso de evaporación puede utilizarse como combustible por su aceptable poder calorífico en calderas de biomasa, mezclado con otros combustibles sólidos.

Otra alternativa es la biometanización mediante reactores biológicos con micro organismos anaerobios. El sistema debe completarse con sistemas aerobios para obtener los parámetros de vertido.

Es una tecnología que permite tratar grandes volúmenes de aguas residuales en un tiempo corto. Además, dado que estos procesos no requieren de sistemas de aeración y a que pueden operar a temperaturas cercanas a la ambiente (entre 25 y 35ºC) su costo de operación es realmente bajo.

Otra de sus grandes ventajas está relacionada a la recuperación de energía, ya que se obtiene como subproducto de este proceso un gas compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono conocido como biogás, el cual puede ser utilizado como un combustible alternativo para usos diversos dentro de la misma planta, tales como el calentamiento de calderas, hornos y hasta en la alimentación de generadores de electricidad.