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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).

Cómo tratar aguas residuales industriales

industrial wastewaterAnte el inicio de la generación de aguas residuales por parte de una empresa, se debe plantear la conveniencia de una correcta gestión ambiental mediante la adopción de unas políticas ambientales adecuadas, lo que supone fomentar el desarrollo sostenible de la empresa, practicar una conducta seria y responsable en relación a la gestión ambiental, así como implantar la máxima prevención en materia ambiental.

La correcta gestión de las aguas residuales supone numerosas ventajas para la empresa de carácter ambiental, económico, fiscal y de imagen pública:

 

  • Una gestión correcta de las aguas demuestra el interés de la empresa por el medio ambiente y ya es un valor por sí sólo. Además de ser un requisito, no único pero sí necesario, para la implantación de un sistema de gestión medioambiental certificado tipo ISO 14001 o EMAS.
  • El cumplimiento de la normativa vigente local, regional y estatal en materia de vertido de aguas residuales supone un importante ahorro económico en sanciones impuestas por la Administración. En general, las sanciones económicas están calculadas para que de ningún modo salga más rentable liquidar las sanciones que hacer las cosas correctamente desde el primer momento. Es por ello que tratar adecuadamente las aguas residuales es habitualmente la opción más económica. Cabe también destacar que si el incumplimiento de la normativa es tipificado por la administración como muy grave, incluso puede darse el extremo de que se clausure el vertido, obviando las consecuencias que pueda tener para la actividad de la empresa esta medida.
  • El hecho de verter las aguas residuales con un nivel de contaminación bajo supone la reducción de los impuestos que gravan la contaminación vertida (canon de vertido), que dependen del volumen y de la carga contaminante de las aguas residuales evacuadas. Si el caudal es elevado, el ahorro económico que supone reducir el canon de vertido es considerable.

Para tratar adecuadamente las aguas residuales, el primer paso consiste en conocer las características del efluente o de los efluentes que se han de verter. Es necesario realizar una caracterización de las aguas residuales mediante una campaña de análisis. Aunque esta caracterización suponga un coste económico, su realización es clave para garantizar el éxito del diseño y funcionamiento de las futuras instalaciones encargadas de tratar el agua. La campaña de muestreo y análisis debe ser diseñada y ejecutada por un profesional, que determinará de qué efluente y cuándo se deben coger las muestras, las cuales podrán ser simples o integradas. El objetivo es conseguir que las muestras analizadas sean representativas y el conjunto de análisis aporte información de qué vierte la empresa, cómo lo vierte y cuándo lo vierte.

A continuación se debe analizar la normativa local, regional y estatal que pueda regular y limitar el vertido. En función de las características del vertido y de lo recogido en la normativa se establecerá el objetivo a cumplir por las instalaciones de tratamiento de las aguas que se deberán diseñar.

La importancia de la campaña de caracterización reside en el hecho de que si ésta no es efectiva, el diseño de las instalaciones no será el óptimo y muy probablemente las aguas residuales no resulten adecuadamente tratadas.

Las instalaciones que albergarán los diferentes procesos de tratamiento de las aguas residuales deberán ser diseñadas por una empresa especializada, que disponga de profesionales experimentados y que sea experta en numerosas y variadas técnicas de tratamiento de aguas residuales. Sin duda, la mejor opción para el cliente que no conoce los entresijos del tratamiento de aguas residuales, es contratar el diseño, construcción y entrega llaves en mano de las instalaciones de depuración a una empresa especializada.

Una vez las instalaciones de tratamiento estén construidas y funcionando correctamente, es momento de tramitar ante la administración competente el permiso de vertido. Éste es preceptivo y en sí mismo es uno de los objetivos que justifica toda la inversión realizada.

También debe tenerse en cuenta que se puede dar el caso de que, para reducir al máximo los impuestos, sea económicamente interesante diseñar los procesos de tratamiento no sólo para cumplir los límites de vertido, sino para reducir al máximo la carga contaminante vertida. Así, de este modo, se reducen considerablemente los impuestos ambientales, como es el caso del canon de vertido, que en la mayoría de lugares existe con uno u otro nombre. Reducir la contaminación vertida por encima de lo que obliga la legislación genera unos costes de explotación mayores, pero cuando el caudal es elevado, se compensan sobradamente con la reducción de impuestos. Se debe evaluar esta posibilidad caso a caso.

Finalmente, el hecho de gestionar correctamente las aguas residuales permite poder optar a obtener un certificado de gestión ambiental del tipo ISO 14001 o EMAS, el cual siempre es valorado muy positivamente en un mercado globalizado donde al medio ambiente cada vez se le concede mayor importancia.

Tratamiento de aguas residuales mediante evaporadores al vacío

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Ensuciamiento en Biorreactores de Membranas para el tratamiento de aguas residuales (2ª parte)

biorreactor de membranasEl ensuciamiento de las membranas es un fenómeno que condiciona la operación y el mantenimiento de los sistemas de filtración, ya que limitan la vida útil de las membranas. Las técnicas para minimizar el ensuciamiento también tratan de optimizar las propiedades de la membrana, las condiciones de la operación y las características de la biomasa. Pero por otro lado, estas técnicas no acaban con la necesidad de limpiezas físicas y químicas periódicas de la membrana. Por ello, dar respuesta al control del ensuciamiento es un aspecto vital en el diseño y la utilización de los biorreactores de membrana. Las acciones necesarias para mantener controlada la velocidad del ensuciamiento son las siguientes:

  • Realizar limpiezas periódicas de la membrana.
  • Modificar las características de la biomasa.
  • Optimizar los parámetros de operación.

La limpieza de la membrana es el método más sencillo para controlar el ensuciamiento. La limpieza puede ser física (se basa en métodos mecánicos) o química (se utiliza un agente oxidante). La limpieza física es más sencilla que la química, y al no introducir sustancias químicas la membrana no se daña. Sin embargo, este tipo de limpieza física es menos eficaz, ya que sólo actúan sobre el ensuciamiento reversible, mientras la limpieza química también elimina el ensuciamiento irreversible. Por un lado, la limpieza física de las membranas se puede realizar de dos maneras distintas: cesando el flujo de permeado (relajación) o invirtiendo el sentido del flujo de permeado (contralavado). La opción del contralavado está incorporada en el diseño de nuestros MBR como estrategia para remediar el ensuciamiento. Esta opción permite eliminar la mayor parte del ensuciamiento debido al bloqueo de los poros y una parte del ensuciamiento causada por la torta de filtración. Con el fin de minimiza el ensuciamiento, ahorrando el máximo de energía posible, hay que tener en cuenta la importancia de la frecuencia, la duración y la intensidad del contralavado. Los contralavados más escasos pero más largos son más eficientes que los contralavado más cortos y frecuentes. También se puede usar aire en el contralavado para así aumentar el permeado, pero requieres periodos más largos y frecuentes, y puede menoscabar la integridad de la membrana. La relajación de la membrana, es decir, la filtración discontinua. Aunque la velocidad de ensuciamiento es más alta durante la filtración continua, la relajación permite alargar el periodo de filtración y posponer la necesidad de la limpieza. Actualmente se apuesta por combinar la filtración discontinua con el contralavado con el fin de optimizar resultados. La relajación sin retrolavado incrementa la acumulación lenta de la suciedad, pero conserva la biopelícula de la membrana. Esta biopelícula es más selectiva que la membrana, por lo que puede ser beneficiosa siempre que la resistencia no sea excesiva. Por otro lado, la limpieza química se ha de llevar a cabo periódicamente para complementar la limpieza física y así eliminar el ensuciamiento irreversible. Se pueden diferenciar distintos tipos según su intensidad:

  • Contralavado químico (diario)
  • Limpieza de mantenimiento (semanal)
  • Limpieza intensiva (semestral)

También, es posible llevar a cabo acciones para prevenir el ensuciamiento como:

  • Mejorar las propiedades anti-suciedad de la membrana: las membranas con menor ensuciamiento son aquellas que son muy porosas y tienen un carácter hidrofílico.
  • Optimizando las condiciones de operación: el grado de ensuciamiento depende en gran medida de las variables de operación (TRH, TRC, Flujo de permeado, Aireación, flujo cruzado) por lo que mantener estas varadas controladas permite limitar el ensuciamiento. Con el fin de mantener estas variables en sus valores óptimos se pueden usar los siguientes métodos: sistemas de control de la retroalimentación, reducir el flujo de permeado, aumentar la aireación (sin llegar al valor crítico), llevar a cabo un pre-tratamiento del agua a tratar.
  • Preparando la biomasa para reducir la capacidad de ensuciamiento: las características de la biomasa bioquímicamente a través del control del Tiempo de Retención Celular (TRC) o químicamente (con la adición de floculantes, coagulante y adsorbentes).

En definitiva, el control del ensuciamiento es calve para el funcionamiento optimo de los biorreactores de membranas, por lo que resulta necesario llevar a cabo limpiezas periódicamente.