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Producción sostenible de fertilizantes naturales a partir de deyecciones animales

Producción de fertilizantesLa fertilización de los suelos empezó a llevarse a cabo cuando los agricultores primitivos se dieron cuenta de que determinados suelos, que eran fértiles, dejaban de producir rendimientos aceptables si se cultivaban de forma continua, y que al añadir estiércol o residuos vegetales la fertilidad se mantenía ininterrumpidamente.

El importante crecimiento de la población mundial en los dos últimos siglos, pasando de 1.000 millones a inicios del siglo XIX a 7.400 millones en la actualidad, exige a la agricultura un aumento de la producción. Al no ser posible incrementar en gran medida las superficies cultivadas, la única opción que permite aumentar la producción agrícola pasa por aportar a los suelos los nutrientes que los cultivos consumen. La utilización, racional, de los fertilizantes, es esencial para mantener la calidad y rendimiento de las cosechas, a la vez que es plenamente respetuosa con el medio ambiente.

La utilización de fertilizantes minerales es una forma eficiente de satisfacer las elevadas demandas a nivel mundial de nutrientes requeridos por los suelos. Estos fertilizantes han demostrado en ensayos de larga duración que permiten obtener elevados rendimientos de los cultivos a la vez que los productos obtenidos son de mayor calidad.

La producción convencional de fertilizantes minerales se basa en el uso de gas natural, fosfato roca, potasa y azufre entre otras materias primas, el precio de las cuales se ha encarecido considerablemente en los últimos diez años. Además, teniendo en cuenta que son recursos limitados y cada vez más escasos, la tendencia de su coste es alcista. Esto ha llevado a que el precio de los fertilizantes minerales esté experimentando un incremento importante y sostenido, el cual no parece tener fin.

precio sulfato de amonio

En la gráfica se observa la evolución del precio del nitrato de amonio entre 1960 y 2012, el cual ha experimentado una subida extraordinaria a partir del año 2002. La evolución del precio del nitrato de amonio es representativa del conjunto de fertilizantes minerales. Actualmente, el precio de un fertilizante se haya entre 100 y 600 €/Tm en función de su composición.

No obstante, para alcanzar una mayor sostenibilidad, ante la síntesis de fertilizantes a partir de residuos fósiles, una alternativa respetuosa con el medio ambiente y rentable económicamente es posible: la transformación en fertilizantes de subproductos o de residuos industriales valorizables, particularmente atractivo resulta la valorización en fertilizantes de la fracción sólida y liquida de los biodigestores (se conocen con el término de digestatos) que tratan estiércol de aves y purines de porcino y vacuno. El precio actual de los fertilizantes, y aún más el coste futuro, hace posible que la inversión en procesos de revalorización en los que el producto final sea un fertilizante de alto valor añadido tenga plazos de retorno atractivos.

Los procesos de valorización que típicamente acaban dando como resultado un producto con posibilidad de utilizarse como fertilizante se circunscriben en el ámbito de la transformación del digestato, obtenido en el proceso de digestión anaerobia de residuos orgánicos, en un producto con unos niveles de nitrógeno, fósforo y potasio que lo hacen apto para su uso en agricultura. El digestato es rico en materia orgánica carbonosa soluble, nitrógeno, fósforo y potasio, aunque con unas concentraciones relativas bajas (menos del 0,5 %) por lo que su distribución hasta el punto de aplicación y su aplicación al suelo puede resultar muy costosa. Para ajustar los niveles de estos nutrientes a las concentraciones comerciales es necesario efectuar un proceso de concentración por evaporación de agua por lo que será necesario el uso de energía térmica de muy bajo coste para que el proceso sea rentable. Esta energía está disponible en los procesos de “waste to energy” mediante el aprovechamiento del biogás producido en los digestores con o sin motores de cogeneración, por lo tanto es prácticamente gratuita al disponer de agua caliente (aprox. 90 ºC), esta energía utilizada en evaporadores al vacío de múltiple efecto permite alcanzar concentraciones de nutrientes de cerca el 35% en MS. Este producto que se ha obtenido por concentración permite ser envasado para ser comercializado o vendido a granel, permitiendo obtener buenos ingresos a la explotación ganadera que dispone de esta tecnología. Una de las ventajas añadidas de la obtención de fertilizantes concentrados a partir de la fracción liquida del digestato de deyecciones ganaderas es que se trata de un producto “ecológico y natural” al que se ha eliminado, gracias al largo periodo de retención en el biodigestor, los microorganismos patógenos, antibióticos y hormonas.

No obstante, teniendo en cuenta que los elementos esenciales que los cultivos necesitan son nitrógeno, preferentemente en forma de nitrato y parcialmente en forma de amonio, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre, seguidos de una serie de micronutrientes (hierro, manganeso, zinc, cobre, molibdeno, boro, etc.), el carbono soluble, en forma de compuestos de sustancias húmicas (ácido húmico y ácido fúlvico) juegan un papel fundamental en la absorción y transformación de los nutrientes por parte de la materia vegetal. Uno de los aspectos que más preocupa al agricultor es la posible presencia de microorganismos patógenos, típicos en la materia fecal, si bien los largos tiempos de permanencia en el digestor pueden eliminarlos, la re-contaminación indirecta de la fracción liquida puede llegar a ser un problema, la tecnología aplicada en los procesos de concentración que incluye por un lado la utilización de membranas de ultrafiltración (elimina todo tipo de patógenos, bacterias, virus e incluso pirógenos) además el proceso de concentración con los evaporadores genera un choque térmico que esteriliza el producto fertilizante obtenido.

El proceso de recuperación de los nutrientes minerales depende fundamentalmente de la composición del subproducto industrial de partida. De forma general, se basa en el uso de una serie de procesos y técnicas que permiten la separación de los principales compuestos que interesan (nitrato de amonio, superfosfato -Ca(H2PO4)2 -, fosfato amónico, cloruro potásico, sulfato potásico, sulfato de calcio, cloruro de calcio, sulfato de magnesio, carbonato de calcio, etc.), seguidos de etapas de evaporación al vacío y cristalización, que consiguen la obtención de los compuestos en estado sólido y con elevada pureza.

De esta manera se pueden producir fertilizantes de alto valor añadido (equilibrados en cuanto a su composición, de liberación lenta, de composición definida, específicos para cada aplicación, etc.) mediante un proceso que es completamente sostenible desde el punto de vista ambiental y rentable a nivel económico, el precio del producto fertilizante ecológico concentrado obtenido (aproximadamente al 35% MS) puede tener un valor en el mercado entre 250-350 €/Tm, el coste de concentración aprovechando la energía térmica disponible (energía eléctrica, consumibles, etc.) más los costes operativos son del orden del 30% del valor de mercado del producto obtenido, por tanto con el beneficio obtenido por dicha comercialización permite una amortización de equipos muy rápida, por lo general inferior a dos años.

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Tratamiento de lixiviados de vertedero

lixiviados de vertederoA pesar del fomento de la regla de las tres erres (3R) – reducir, reutilizar y reciclar –, la realidad es que el volumen de residuos generados en los 34 países que componen la OECD, Organisation for Economic Co-operation and Development, (www.oecd.org/) –la mayoría de los países europeos, Chile, México, USA, Canadá, Japón y Australia entre otros– aumenta cada año. Consecuentemente, al aumentar la cantidad de residuos generados, se hace necesaria la implantación de nuevos vertederos, con las derivadas medioambientales negativas que esto supone: producción y descarga de gases de vertedero que puede provocar fuertes olores, contaminación ambiental y atmósferas explosivas, aparición de inconvenientes de carácter sanitario, principalmente insectos y roedores, y el vertido incontrolado de los lixiviados que puede causar la contaminación de suelos y de aguas, tanto superficiales como subterráneas.

La normativa vigente de los diferentes países establece que los lixiviados se deben recoger, controlar y tratar de la manera más adecuada, en función de sus características físicas y de su composición química. No obstante, en función del país varía la exigencia en el tratamiento de los lixiviados antes de que éstos, ya tratados, puedan ser vertidos al medio natural. Por ejemplo, la normativa de vertido a cauce natural es más restrictiva en España que en la mayoría de los países latinoamericanos.

La composición química de los lixiviados de vertedero depende del tipo de vertedero, de la cantidad de aguas pluviales que penetren en el vaso del vertedero, así como del período de explotación del mismo. Así pues, en los lixiviados de vertederos jóvenes (1-2 años) el pH es bajo (4,5-7,5) y las concentraciones de DQO, DBO5, nutrientes y metales pesados son altas. En cambio, en verteros maduros (más de 3 años), se observa que los lixiviados tienen un pH en el rango (6,5-7,5) y los valores de DQO, DBO5 y nutrientes se han reducido sustancialmente. Otra constante es la presencia de elevada presencia de nitrógeno amoniacal y de sales disueltas (sulfatos, cloruros, bicarbonatos, etc). También se detecta a veces una significante concentración de metales pesados. La biodegradabilidad (entendida como la relación entre DBO5 y DQO) disminuye con la edad del lixiviado. Por tanto, los lixiviados que proceden de vertederos de poca edad presentan una alta biodegradabilidad y pueden ser tratados adecuadamente mediante un proceso biológico. Y al revés, vertederos maduros producen lixiviados poco biodegradables los cuales deben der tratados mediante procesos físico-químicos. Por otro lado, cuando la cantidad de aguas pluviales que se infiltran en el vertedero es elevada, la carga contaminante de los lixiviados –incluyendo las sales– es más baja aunque el caudal total a tratar sea superior.

Cuando la normativa de vertido a cauce público es más exigente, la tendencia es a utilizar tecnologías avanzadas para el tratamiento de los lixiviados generados en el vertedero. Estas tecnologías, que suponen un coste más elevado tanto en inversión como en operación que procesos más convencionales, propician que los vertederos posean mecanismos para que la infiltración del agua de lluvia sea mínima.

Las técnicas utilizadas suelen ser un sistema biológico mediante sistemas secuenciales (SBR), así como reactores a membranas (MBR), seguidos de un proceso de membranas de ósmosis inversa, que producen un efluente de elevada calidad. El rechazo del proceso de membranas, que se gestiona externamente, a menudo acostumbra a generar unos sobrecostes bastantes elevados. Una opción sostenible para reducir considerablemente estos costes consiste en minimizarlos mediante evaporadores al vacío, se puede alcanzar un residuo prácticamente seco que se puede depositar en algunos casos en la celda de “residuos impropios” del vertedero. En algunas ocasiones el biogás que se produce en el vertedero por la acción anaerobia de la degradación de los residuos orgánicos, es aprovechado para generar energía eléctrica mediante motores de cogeneración, la energía térmica en cambio no es aprovechada y se pierde a la atmosfera. En otras ocasiones el biogás no se aprovecha y simplemente se quema en antorchas. En ambos casos es posible recuperar la energía térmica utilizándola en forma de agua caliente (90ºC) para su uso en evaporadores al vacío, esto permite tratar de una manera eficiente y económica los lixiviados sin necesidad de ningún sistema adicional. Los evaporadores extraen el agua (destilado) del lixiviado que tiene una elevada calidad que permite cumplir con los niveles más exigentes de vertido.

Cuando la normativa de vertido a cauce público no es tan restrictiva, los tratamientos convencionales que tradicionalmente se han utilizado en la depuración de aguas residuales – procesos biológicos – pueden ser utilizados en el tratamiento de lixiviados de vertedero. Entre los diferentes procesos biológicos aplicables, una opción eficiente son los biorreactores de membrana, ya que éstos se pueden diseñar expresamente en función de las características de los lixiviados a tratar y permiten tratar elevados caudales en sistemas relativamente compactos. Al ser los costes de explotación razonables, estas técnicas son idóneas para aquellos casos en que la cantidad de aguas pluviales que se mezclan con los lixiviados son elevadas.

No obstante, cuando el caudal de lixiviados a tratar es pequeño y se dispone de suficiente espacio, una alternativa muy sostenible es la fito-remediación, que consiste en la depuración mediante un cultivo de plantas. Esta técnica aprovecha las funciones vitales de las plantas cultivadas, generalmente, la caña común (reed beds), para biodegradar y estabilizar el residuo. Las plantas consumen los nutrientes de los lixiviados, a la vez que actúan como filtro natural, y el residuo acaba mineralizándose con el tiempo. En estos sistemas el parámetro clave es la velocidad de irrigación, que aunque el valor óptimo depende de muchos factores, el promedio está alrededor de 50 m3•ha-1•dia-1. Los sólidos en suspensión, la materia orgánica, el nitrógeno amoniacal y algunos metales como el hierro se reducen en un elevado porcentaje y mediante una técnica sencilla y de bajo coste.

Para la depuración de lixiviados de vertedero se están utilizando desde hace tiempo diversas técnicas, algunas de ellas bastante exóticas (oxidación química, electrocoagulación-electroxidación, etc) pero algunas presentan diversos inconvenientes de gestión así como poca capacidad para adaptarse a los cambios de composición química estacional (seca-húmeda) que se producen por el efecto de aportación de agua de lluvia o por el envejecimiento del vertedero. En líneas generales los procesos más utilizados usan diferentes combinaciones de tratamientos biológicos y físico-químicos. Los caudales a tratar, la carga contaminante, así como los límites de la normativa de vertido son los parámetros que acabarán determinando si un proceso biológico convencional puede ser suficiente, o bien habrá que recurrir a técnicas más completas, como un proceso de filtración mediante membranas de ósmosis inversa posterior al proceso biológico. En este caso, existen técnicas sostenibles para reducir eficientemente el volumen de residuo generado en el proceso de tratamiento, como puede ser el caso de una etapa de evaporación-concentración al vacío.

Por último cabe destacar que existen trabajos de R&D encaminados a obtener de este residuo líquido (lixiviado) diversos subproductos valorizables como fertilizantes que mediante su venta permitirían una gestión optima del proceso desde el punto de vista económico y para el medio ambiente.

Desulfuración del biogás mediante procesos biológicos: una alternativa eficiente, económica y sostenible

digestion anaerobiaTanto en las plantas de tratamientos de residuos sólidos y líquidos (plantas de biometanización) como en las estaciones depuradoras de aguas residuales se produce un gas que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y demás impurezas, llamado biogás. Como el contenido en metano del biogás está entorno al 50-70%, aparte de que no puede ser liberado a la atmosfera por su alto potencial contaminante (es uno de los principales gases del efecto invernadero), su elevado poder calorífico hace que sea interesante aprovecharlo para producir energía eléctrica (cogeneración). Así pues, la producción y reutilización del biogás permite que este tipo de instalaciones sean cada vez más autosuficientes a nivel energético.

No obstante, uno de los mayores impedimentos para la utilización del biogás para la producción de energía eléctrica viene dado por la naturaleza de las impurezas que acompañan al biogás. El sulfuro de hidrógeno (H2S) es una de las sustancias que contaminan el biogás con mayor frecuencia y en mayor cantidad. Es un compuesto corrosivo que ataca tanto la obra civil de las instalaciones donde se produce como los equipos encargados de producir la energía eléctrica. Su concentración en el biogás puede variar entre 1.000 y 20.000 ppmv (partes por millón en volumen) mientras que para poder ser utilizado en sistemas de cogeneración de energía eléctrica no puede contener concentraciones de H2S superiores a unas 400 ó 500 ppmv.

Las técnicas de desulfuración utilizadas hasta la actualidad se basan en la oxidación química del sulfuro de hidrógeno en unas torres de lavado (scrubbers), conectadas en serie. En una primera etapa, con una solución ácida (H2SO4) se produce una neutralización y posteriormente, en la segunda etapa, mediante una solución alcalina de NaClO y NaOH se produce la oxidación química. Esta opción conlleva unos elevados consumos de reactivos además de presentar dificultades técnicas debido a la presencia de otras especies químicas (carbonatación del CO2).

La alternativa a la solución tradicional es la eliminación del H2S mediante un proceso íntegramente biológico. Se utilizan filtros percoladores en los que en la superficie del material de relleno del filtro se forma una biopelícula integrada por bacterias sulfuro-oxidantes, es decir, microorganismos especializados en la oxidación de compuestos reducidos de azufre, proceso del cual obtienen la energía necesaria para su crecimiento. Estos biorreactores permiten eliminar el H2S con un coste de explotación enormemente bajo, sin la utilización de reactivos químicos (ventaja económica, de seguridad y ambiental) y ofrecen una elevada y sostenida eficacia de eliminación. Aunque el proceso sea biológico, estos sistemas se han demostrado muy estables operando durante largos periodos de tiempo y se adaptan a la variabilidad de la carga de contaminante a degradar. Para la puesta en marcha del biofiltro percolador, la opción eficaz y más sencilla consiste en inocular con licor mezcla del reactor biológico de una estación depuradora de aguas residuales urbanas. En un espacio de tiempo relativamente rápido se produce una selección de los microorganismos a favor de los sulfuro-oxidantes y se puede obtener un alto rendimiento de eliminación a la semana de haber inoculado, siempre en función de las cargas a tratar.

Los costes de inversión de un proceso biológico de desulfuración en comparación al sistema químico son ligeramente inferiores a favor del primero. No obstante, donde la diferencia es muy notable es en los costes de explotación, ya que no se utilizan reactivos químicos y no se producen apenas residuos. Este factor hace que sea viable económicamente reconvertir los sistemas tradicionales químicos en biológicos.

Biorreactores de membranas (MBRS) para el tratamiento de aguas residuales

MBREn  este artículo presentaremos los aspectos de los  biorreactores de membranas (MBRS) que los convierten en  una buena alternativa a los sistemas convencionales de depuración biológica por fangos activos para el tratamiento de aguas residuales. Este sistema consiste en una modificación del sistema convencional de fangos, ya que se reemplazan los tanques secundarios de sedimentación, propios del sistema convencional, por unidades de membranas.

Las principales ventajas del sistema MBRS respecto a  los fangos activos es que consta de instalaciones relativamente pequeñas y que permite obtener un efluente de alta calidad con baja producción de lodos. Este sistema es adecuado tanto para el tratamiento de aguas residuales urbanas como para las aguas residuales industriales biodegradables. La mayor parte de aplicaciones de este sistema los encontramos en el sector alimentario, farmacéutico, cosmético y en vertederos.

Por otra lado el sistema MBRS presente un inconveniente respecto a los fangos activos. Se trata del coste, ya que el ensuciamiento progresivo de la membrana supone un coste de mantenimiento superior a otros sistemas.

Los biorreactores de membranas son la combinación  de un biorreactor, en el que una suspensión concentrada de microorganismos degrada los contaminantes presentes en el agua, y una unidad de filtración por membranas (0.01- 0.04 µm) que separan la biomasa del agua purificada.

Como hemos mencionado la principal ventaja de este innovador sistema es la posibilidad de obtener mejores calidades del efluente ocupando poco espacio, ya que opera con una concentración de biomasa alta, lo  que genera menos lodos.  Otra  ventaja es que proporciona libertad para controlar el proceso, ya que permite la manipulación de los tiempos de residencia hidráulicos y de la biomasa.   Al no funcionar con sedimentos permite que la instalación sea de tamaño reducido y logra una mayor separación que los sistemas anteriores gracias a la tecnología de membranas. Aunque, por otra parte, genera más ensuciamiento que otros sistemas debido a que el medio está sometido a una mayor agitación respecto al sistema convencional de fangos,  lo que produce una mayor producción de SPE. Por lo que a pesar de la serie de características positivas mencionadas, esta tecnología implica altos costes de prevención y eliminación del ensuciamiento de las membranas que garantizan su funcionamiento optimo.

La permeabidiladad de las membranas está influenciada por las características del lodo. Las células, presentes en el lodo, pueden formar una capa en torno a la membrana durante la filtración, y  formar una biopelícula que reduce la permeabilidad, problema que puede verse acrecentado por el depósito de partículas y la adsorción de materiales coloidales. Factores biológicos, como la presencia de nutrientes, la edad del lodo y el nivel de agitación afectan a la producción sustancias polimericas extracelulares que son las responsables del ensuciamiento.

El ensuciamiento del biorreactor puede ser reversible, es decir, puede ser eliminado con una limpieza física,  o puede ser irreversible, es decir, que requiere una limpieza química. Esto depende de la tenacidad con la que la suciedad se une a la membrana. Aunque también existe el ensuciamiento irrecuperable, que no se puede eliminar de ninguna manera, por lo que define la vida útil de la membrana. Toas estos ensuciamiento se dan en distintas etapas del tiempo.

Durante la filtración, el aumento de presióntransmembranar es debido principalmente a la formación de la torta que obstruye la membrana. Esta puede ser eliminada mediante una limpieza física, pero a largo plazo esta limpieza no es capaz de resistir presión tranmembranainicial. Cuando la presión tras la limpieza física supera un valor determinado, se hace una limpieza química. Sin embargo como consecuencia del ensuciamiento irrecuperable la limpieza química tampoco evita el aumento gradual de la presión transmembranar a lo largo de un periodo de años.

Los biorreactores de membranas constan de varias membranas y un birreactor. El modulo de filtración puede ser externo o interno al biorreactor. La diferencia es que le consumo energético en el sistema MBR externo es diez veces superior al interno. Aún así, los MBR externos presentan algunas ventajas  respecto a los internos, como por ejemplo la posibilidad de limpiar in situ las  membranas, el fácil acceso a los módulos, permite modificar el número de módulos y  nos da la oportunidad de optimizar la aireación del biorreactor para obtener coeficientes de transferencia de oxígeno máximos.

También existe un novedosa configuración de MBRS denominada Air lift MBR, que consiste en un MBR externo, por lo que consta de un fácil acceso a las membranas y trabaja con flujos latos. Pero, por otra parte, también consta de las ventajas de un sistema interno, es decir que representa un consumo energético bajo (0,5 kwh/m3).

En definitiva, el sistema de biorreactores de membrana  es una tecnología capaz de competir con los sistemas convencionales de fangos, ya que permiten obtener un efluente de calidad y presentan una gran  versatilidad de diseño.  Aún así es necesario conocer los mecanismos y componentes del ensuciamiento para un uso y mantenimiento correcto de esta tecnología.