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Ingeniería ambiental

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

Caracterización del agua residual

Caracterización de aguas residualesCuando se requiere tratar un importante caudal de aguas residuales, la primera alternativa que generalmente conviene considerar es la utilización de un proceso biológico, puesto que es uno de los tratamientos completos más económicos y la cantidad de residuos que se generan es relativamente baja. No obstante, será decisivo conocer la naturaleza de la contaminación presente en el agua para evaluar la idoneidad de un tratamiento u otro, puesto que éstos son muy selectivos en cuanto al tipo de contaminación que eliminan.

Para conocer el tipo de contaminación es necesario llevar a cabo una caracterización del agua residual, la cual proporciona una amplia variedad de información sobre el tipo y la concentración de los contaminantes. Los parámetros que deberán ser analizados, a parte de los generales como pH y conductividad, serán los que den idea del contenido de materia orgánica, nutrientes (nitrógeno y fósforo), sólidos en suspensión, alguno relacionado con la toxicidad de las aguas residuales en relación a los microorganismos, además de los más específicos y relacionados con el tipo de actividad que genera el efluente (metales, tensioactivos, sulfatos, cianuros, etc.).

Para conocer la cantidad de materia orgánica que los microorganismos son capaces de asimilar, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) ha sido un parámetro muy utilizado a la hora de caracterizar las aguas residuales, aunque es poco preciso (la aclimatación de los microorganismos al agua residual influye en la medida), de determinación lenta (se requieren al menos 5 días para realizar la medida) y no es práctico para su utilización en la gestión de las plantas de tratamiento. En contrapartida, la demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro preciso, de rápida obtención, que mide toda la materia orgánica del agua (la biodegradable y la no biodegradable), por lo que es el mayormente empleado. Pero, precisamente porque mide toda la materia orgánica, a la hora de conocer mejor el efluente que se desea tratar, es una información necesaria pero no suficiente. Para realizar una caracterización completa y profunda del efluente, junto a los parámetros citados, se deberá llevar a cabo un fraccionamiento de la DQO, que aportará información del efluente en términos de las diferentes velocidades de degradación de las distintas fracciones de DQO.

Las fracciones de la DQO con las que se acostumbra trabajar son las mismas que emplean los modelos de lodos activados de la International Association of Water Quality (IAWQ) y son las siguientes:

  • DQO fácilmente biodegradable (DQOfb). Esta fracción, que se asimila a la DQO soluble en el agua, es la que la biomasa consume más rápidamente (en pocos minutos), generando una rápida y elevada demanda de oxígeno. Los compuestos que conforman esta fracción son sustancias solubles, de bajo peso molecular, como es el caso de los azúcares, alcoholes y ácidos grasos.
  • DQO lentamente biodegradable (DQOlb). Esta fracción se relaciona con la DQO biodegradable no soluble, o particulada, y habitualmente es la fracción biodegradable mayoritaria. Está formada por moléculas solubles de elevado peso molecular, sustancias coloidales y partículas sólidas. Todas ellas tienen en común que no son de fácil degradación por la biomasa. Antes, deben ser hidrolizadas por las enzimas segregadas por los microorganismos y convertidas en moléculas solubles, de bajo peso molecular y, por tanto, de fácil asimilación para las células. La etapa de hidrólisis es lenta, es la etapa que controla el proceso y lleva asociadas tasas de consumo de oxígeno mucho más bajas que las de consumo de la DQO fácilmente biodegradable.
  • DQO soluble no biodegradable (DQOsnb). Esta fracción no se ve alterada por el contacto con la biomasa, no sufre ningún tipo de variación durante el tratamiento y sale con el efluente. Si esta fracción es mayoritaria en el efluente, los procesos biológicos quedan directamente descartados.
  • DQO particulada no biodegradable (DQOpnb). Esta fracción, aunque no es consumida por la biomasa, gran parte decanta junto a los lodos, reduciéndose la concentración a la salida en relación a la entrada.

El hecho de que la DQO soluble no se corresponda perfectamente con la DQO fácilmente biodegradable, de la misma manera que la DQO particulada no se corresponde totalmente con la DQO lentamente biodegradable, hace que la forma idónea de determinación de las diferentes fracciones sea mediante respirometría. Esta técnica mide el consumo de oxígeno por parte de la biomasa al degradar los sustratos en relación al tiempo, lo cual proporciona una información muy precisa tanto de la actividad de los organismos como de la velocidad a la que los diferentes sustratos son consumidos. La tasa de respiración es la velocidad de consumo de oxígeno, por unidad de volumen y tiempo. Representando los datos obtenidos de la tasa de respiración respecto al tiempo se obtiene un respirograma, como el ejemplo de la figura, en el cual se diferencian las siguientes áreas:

  • A1: área proporcional a la concentración de DQO fácilmente biodegradable. Es la primera DQO que se consume y con la tasa de respiración más elevada.
  • A2: área proporcional a la concentración de DQO lentamente biodegradable. La velocidad de consumo de oxígeno es menor y se prolonga más en el tiempo.
  • A3: área proporcional a la cantidad de oxígeno consumido en el proceso de nitrificación.
  • A1+A2+A3: indica la cantidad de oxígeno necesaria para una oxidación completa de los contaminantes.
  • Una vez finalizada la respirometría, si se realiza una DQO del licor mezcla filtrado (0,45 m) se obtiene la DQO soluble no biodegradable. Y finalmente, si a la DQO inicial (total) se le resta la DQO biodegradable (suma de la fácilmente biodegradable y de la lentamente biodegradable) y la DQO soluble no biodegradable, por diferencia se obtiene la fracción de DQO particulada no biodegradable.

respirograma

Una vez determinadas las diferentes fracciones en función de su respectiva biodegradabilidad, se dispone de una caracterización completa de la materia orgánica del agua residual, la cual complementa el resto de parámetros analizados. Esta información será fundamental para tomar decisiones en la etapa de diseño del sistema de tratamiento de los efluentes; servirá para seleccionar los procesos que pueden ser eficientes y cuáles pueden ser descartados directamente. Por ejemplo, un agua con una fracción lentamente biodegradable que sea mayoritaria, no puede ser tratada mediante un sistema biológico en el que el agua esté muy poco tiempo en contacto con la biomasa.

Asimismo, la determinación de las diferentes fracciones en base a su diferente biodegradabilidad también permite calibrar los modelos cinéticos que posteriormente describirán el comportamiento del sistema (calidad del efluente, demanda de oxígeno, producción de lodos, etc.) en respuesta a fluctuaciones en tiempo real de la carga y del caudal del afluente.

Así pues, la caracterización completa del agua residual es fundamental para poder acometer con garantías de éxito la etapa de selección del tipo de tratamiento y su posterior diseño.

Deshidratación de residuos generados en el tratamiento de aguas

En una amplia variedad de técnicas de tratamiento de aguas, los contaminantes presentes en el agua son separados y concentrados, en vez de ser eliminados. Tanto los tratamientos físicos, fisicoquímicos como biológicos generan residuos sólidos o lodos. Éstos, mayoritariamente son agua, pues suelen tener una concentración de sólidos que van desde el 0,5% al 5%. En la mayor parte de los casos, independientemente de la disposición final, será conveniente una etapa de deshidratación de residuos en el mismo lugar donde se generan, con el objetivo de reducir el volumen y, por tanto, el coste del transporte.

El estado físico de los lodos depende en gran medida del contenido en agua, pudiendo ser desde un líquido viscoso hasta un sólido polvoriento. En la tabla se muestra el aspecto del lodo en función del contenido en agua.

deshidratación de residuos

Tabla de deshidratación de residuos

En la mayoría de los procesos en los que se generan lodos, éstos tienen una concentración de sólidos en torno a 40 g/L (4%). Aumentar más su concentración extrayendo el agua retenida por el lodo, no es posible mediante procesos basados en la gravedad. Para conseguir valores de sequedad del 20% o superiores es necesario someter los lodos a procesos mecánicos, generalmente una filtración o una centrifugación. Los procesos térmicos también son muy eficaces y se utilizan cuando el grado de sequedad deseado es más elevado.
A continuación se exponen las técnicas de deshidratación de lodos más eficientes:

1. Deshidratación de residuos mediante filtros banda

El funcionamiento de los filtros banda se basa en el vertido de los lodos sobre una banda continua de tela filtrante que pasa entre una serie de rodillos giratorios. Al pasar el lodo entre los rodillos, éste se comprime, escurre y pierde parte del agua que contiene, llegando al 20-30% de sequedad a la salida, siempre dependiendo del tipo de lodos. Los rodillos suelen ser de diferentes diámetros para poder ir aumentando la presión ejercida y variar la dirección, ejerciendo así también un efecto de cizalladura.

Entre sus ventajas figuran un coste de explotación contenido, el bajo consumo de energía y la escasa necesidad de mano de obra. Como inconvenientes hay que destacar la baja durabilidad de la tela filtrante y la alta sensibilidad al tipo de lodo.

2. Deshidratación de residuos mediante filtros prensa

Estos filtros están formados por una estructura de tipo bastidor que aloja una serie de placas, las cuales contienen unas telas filtrantes. El lodo penetra en las cavidades formadas entre dos placas contiguas y se ejerce una elevada presión mediante un sistema hidráulico, sobre los 300 kg/cm2, durante un período de hasta 3 horas. El agua atraviesa la tela filtrante y accede a un colector de filtrado, mientras que el lodo forma unas tortas de 2 a 3 cm de espesor. Finalmente las placas se separan y la torta de filtración cae por gravedad. Después de la limpieza el sistema está preparado para repetir el ciclo de filtración. Se pueden conseguir sequedades de hasta el 40%, no obstante los costes de inversión son elevados y el funcionamiento es en discontinuo y muy laborioso.

3. Deshidratación de residuos mediante filtros de vacío

Consiste en un tambor perforado cubierto de una tela filtrante y en su interior se aplica vacío. El tambor está compartimentado en varias secciones independientes. Está parcialmente sumergido en un tanque en el que se encuentra el lodo líquido que se desea deshidratar. Las diferentes secciones del tambor, a medida que éste va girando, van pasando cada una por un ciclo de filtración, lavado y descarga de la torta de filtración, la cual puede tener una sequedad de entre el 20% y el 30%. La velocidad de giro del tambor depende de las características del lodo.
Es un sistema que tiene una elevada capacidad de carga, aunque los costes de inversión, mantenimiento y explotación son elevados.

4. Deshidratación de residuos mediante centrifugación

La separación del agua del lodo se consigue mediante la aplicación de fuerzas centrífugas, habitualmente de magnitud 10.000 veces superior a la gravedad. La centrífuga consiste en un rotor cilíndrico cónico que incorpora en su interior un tornillo helicoidal. Los dos giran a elevada velocidad y en el mismo sentido, aunque el rotor gira más rápido que el tornillo. El lodo se alimenta en la parte central del rotor y es impulsado hacia la periferia debido a la fuerza centrífuga. El agua, al ser más ligera, avanza por el tornillo helicoidal y se recoge en un extremo. Los lodos se van acumulando en las paredes del rotor, son arrastrados a lo largo de la zona cónica y salen por un orificio situado en la parte inferior del extremo opuesto. El fango deshidratado suele tener una sequedad entre el 15% y el 30%, dependiendo del tipo de lodo y de las condiciones de centrifugación.

Se trata de un sistema eficiente, que trabaja en continuo, muy compacto y que necesita poco espacio. En contrapartida, el mantenimiento es crítico y la potencia consumida es importante.

5. Deshidratación de residuos mediante secado térmico

La deshidratación por encima del 35%-40% de sequedad no es posible mediante medios mecánicos, pues el agua libre y capilar ya ha sido eliminada y la que queda es el agua intracelular. Para eliminar este agua es necesario romper la estructura celular, ya sea por medios biológicos, químicos o térmicos.

El secado térmico consiste en incrementar, directa o indirectamente, la temperatura del lodo para que el agua se evapore. Se utiliza para reducir el volumen del lodo, y por tanto reducir sus costes de gestión, y también para revalorizarlo.

Para evaporar el agua se necesita una gran cantidad de energía, por lo que el secado térmico sólo se podrá utilizar cuando haya disponible energía residual de algún otro proceso.

Sea cual sea el proceso de deshidratación, la eficiencia en el proceso mejora de forma considerable si previamente se acondicionan químicamente los lodos.

Los productos químicos más utilizados son el cloruro férrico, el sulfato de hierro o de aluminio y la cal. También se utilizan con excelentes resultados los polielectrolitos catiónicos, ya que se dosifican con facilidad, su consumo no es muy elevado y proporcionan una gran eficiencia. Además, los polielectrolitos no aumentan la cantidad de lodos producidos, como sí ocurre con las sales inorgánicas. El producto que presenta mayor eficiencia, así como la dosis que se debe utilizar, variará en función de las características de los lodos. Por este motivo, se deberán realizar ensayos en el laboratorio en cada caso.

Así pues, en los sistemas de tratamiento de aguas se generan residuos sólidos con un elevado contenido en agua. La eliminación parcial o total de este agua será clave para reducir los costes de transporte y de gestión. La técnica de deshidratación más conveniente en cada caso dependerá de las características de los lodos producidos así como de factores externos (disponibilidad de mano de obra, precio de la energía, espacio disponible, etc.). Y, si se desea alcanzar un elevado valor de sequedad, se deberá recurrir a un proceso térmico.

 

Tratamiento del biogás

Secciones

¿Qué es el biogás?

El biogás es un combustible que se genera con la degradación de la materia orgánica.

Es muy habitual que se produzca en lugares como vertederos, que acumulan grandes cantidades de residuos sólidos que sufren procesos de descomposición.

Este biogás no puede ser emitido a la atmósfera, ya que contiene un elevadísimo porcentaje de metano, que es un gas altamente inflamable y que también puede provocar asfixia. Por otra parte, el biogás acostumbra a generar problemas de olores.

La gestión del biogás se centra en 2 grandes alternativas:

  • Eliminación: existen antorchas destinadas a quemar el biogás y evitar así su emisión a la atmósfera

  • Valorización energética (tratamiento y reutilización): el biogás ha de ser captado y sometido a un tratamiento, tras el cual puede ser aprovechado para generar energía eléctrica, aprovechando así su capacidad para generar energía eléctrica. 

    Dicha energía puede ser reutilizada en el propio vertedero o incorporada a la red de distribución eléctrica si se consigue generar la cantidad suficiente. De esta forma conseguimos reaprovechar recursos naturales y generar ahorros económicos.

Valorización energética del biogás

Actualmente la producción de biogás como resultado de la valorización energética de los residuos con materia orgánica biodegradable, está en constante crecimiento.

Es una fuente de energía renovable que se puede utilizar para producir energía eléctrica y energía térmica mediante motores de cogestión o microturbinas, se puede acondicionar para su uso en las pilas de combustible e incluso se puede purificar para utilizarse como combustible para vehículos e inclusive para su inyección en la red de gas natural.

Así pues, la valorización energética permite además de dar una salida ambientalmente satisfactoria a los residuos, obtener un rendimiento económico que reduzca los costes de explotación del resto de instalaciones.

La utilización del biogás para la obtención de energía se debe a su elevado contenido en metano (CH4).

Una composición típica del biogás podría ser:

  • Metano (CH4): 55-70%
  • Dióxido de carbono (CO2): 30-45%
  • Hidrógeno (H): 1-3%
  • Nitrógeno (N): 0,5-3%
  • Ácido sulfhídrico (H2S): 0,1-0,2%
  • Trazas de vapor de agua

No obstante, la composición concreta dependerá del sustrato a partir del cual se obtiene el biogás (aguas residuales, vertederos, residuos agrícolas y ganaderos, subproductos carbonatados de la industria, etc.), así como de los parámetros del proceso de digestión (temperatura, pH, tiempo de residencia, etc.).

En ocasiones, en función de su origen, el biogás contiene elevadas concentraciones de contaminantes que impiden su aprovechamiento si no son eliminados previamente. Estos contaminantes, principalmente, son:

  • Ácido sulfhídrico (H2S): se forma por reducción biológica de los sulfatos en condiciones anaerobias.

  • Siloxanos: familia de compuestos que contienen silicio y que proceden del uso de los cosméticos y de las siliconas.

En función del tipo de aprovechamiento del biogás que se desee realizar, se deberá eliminar algún contaminante, si no todos. En la tabla se muestran las sustancias, tanto contaminantes como sustancias propias de la composición habitual de biogás, que deben ser eliminadas en función de la aplicación del biogás.

Tratamiento del biogás

Tal y como se puede deducir de la tabla, el tratamiento del biogás será específico en función del tipo de aprovechamiento que se desee realizar y de los contaminantes presentes. Así pues, mediante diferentes técnicas, consolidadas y eficientes, se puede realizar el tratamiento más conveniente del biogás de manera que éste se adecúe a las condiciones necesarias para su uso posterior.

¿Qué técnica me conviene más?

Póngase en contacto con nosotros y nuestro equipo de expertos en biogás le ofrecerá un diseño ajustado a sus necesidades.

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Técnicas de purificación de biogás según contaminante

A continuación, se analiza para cada tipo de contaminante cuándo se debe eliminar y qué técnica es la más conveniente:

Ácido sulfhídrico (H2S)

Se trata de un compuesto muy oloroso, tóxico y corrosivo. Además, su combustión genera SO2, el cual es uno de los causantes principales del fenómeno de la lluvia ácida.

Técnicas empleadas

  • Desulfuración biológica: es la técnica más competitiva incluso cuando la carga es elevada, por su elevada eficiencia y sus bajos costes de explotación.

  • Contralavado con agua a presión: Absorción en agua que se basa en la diferencia de polaridad.

  • Lavado químico mediante scrubbers: se emplea como alternativa biológica. Es una técnica eficiente pero no tan económica como ésta y se emplean productos químicos.

  • Dosificación de sales férricas en el digestor: permite atenuar la formación de este contaminante, por precipitación del sulfuro (reduciendo la formación del sulfhídrico)

Dióxido de Carbono (CO2)

No se trata de un contaminante propio del biogás, puesto que es inocuo para la mayoría de aplicaciones. Sin embargo, éste debe ser separado cuando interesa disponer de metano concentrado, bien para su uso como combustible para automóviles o bien para su inyección en la red de gas natural.

Técnicas empleadas

  • Contralavado con agua a presión: Absorción en agua que se basa en la diferencia de polaridad.

    Tanto el CO2 como el H2S quedan retenidos mientras que el metano no, debido a las diferencias de polaridad entre las dos primeras moléculas y la de metano, que es bastante apolar.La solubilidad del CO2 en agua depende de la presión, de la temperatura y del pH.

    Para acabar de eliminar completamente el CO2, esta etapa puede ser complementada con una precipitación con Ca(OH)2 del H2S y del CO2, obteniendo CaCO3 y CaS.

Agua (H2O)

A la salida del digestor el biogás está saturado de vapor de agua y para la mayoría de aplicaciones será necesario secarlo. Para ello, se puede refrigerar la tubería y el agua se recoge.

Técnicas empleadas

  • Refrigeración: Se enfría la tubería lo que permite recoger el agua condensada. Si se desea una eliminación total del vapor de agua, se puede absorber mediante un agente desecante como sílica gel o Al2O3.

Siloxanos

Se trata de una familia de compuestos de silicio los cuales están en forma de vapor en el biogás. En parte cristalizan formando sílice que causa una gran abrasión en los equipos mecánicos. Se separan del biogás mediante adsorción con carbón activo.

Técnicas empleadas:

  • Adsorción con carbón activo: con esta técnica se obtiene una elevada eficiencia que permite reducir estos compuestos a ppb(v).

BTEX, hidrocarburos y compuestos halogenados

En los filtros de carbón activo también quedan adsorbidos los que pueda contener el biogás.

Cuando se desea metano con un poder calorífico (PCI) similar al del gas natural, existe una alternativa de purificación consistente en la filtración por membrana.

El gas a purificar fluye a través de una membrana selectiva y en función de la diferente permeabilidad de la membrana a los distintos compuestos, éstos van permeando y el metano se va enriqueciendo.

El diseño de la membrana es el más adecuado para la separación selectiva de diferentes gases, principalmente CO2 y metano. La purificación es efectiva, aunque existe cierta pérdida de metano junto al CO2 separado, además de que son sistemas caros.

Enriquecimiento de biogás o “biogas upgrading”

De las diferentes tecnologías empleadas para el tratamiento del biogás, podemos destacar el contralavado con agua a presión.

Esta tecnología es la de mayor flexibilidad posible para el tratamiento del biogás, independientemente de su calidad y cantidad. Se emplea para enriquecer el biogás a la calidad del gas natural, permitiendo su reutilización en las propias instalaciones o su conexión a la red de suministro de gas natural.

Mediante su aplicación se separan con gran eficacia el CO2 y el sulfuro de hidrógeno en un solo paso y con un proceso completamente automatizado.

Las principales ventajas que se obtienen son:

  • Las plantas se realizan en módulos estándar con diferentes capacidades y de fácil implementación.
  • El CO2 se elimina del biogás a través de la tecnología de depuración por agua a presión.
  • No se consumen productos químicos.
  • No se requiere desulfuración previa.
  • No hay demanda de calor.
  • Eficiencia de recuperación de metano del 99%.
  • Gran flexibilidad frente a variaciones de contenido de CH4.
  • Energía verde.

Proceso del contralavado con agua a presión

El biogás se comprime hasta unos 7 bares y luego se lava en un flujo a contracorriente de agua en una columna de lavado. El dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno tienen una solubilidad en agua mucho mayor que el metano y se disolverán en ella.

Para reducir la pérdida de metano en el proceso el agua de lavado se transfiere a un tanque de expansión. Una parte de los gases disueltos se regasifica y pueden ser de nuevo comprimidos.

En una columna de desorción, el agua de lavado se regenera separándola del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno en un flujo de aire a contracorriente para reducir de esta forma al mínimo el consumo de agua fresca.

Tras este proceso obtenemos tres resultados:

  1. El agua de lavado, que se enfría a baja temperatura para que pueda ser reutilizada por el lavador.

  2. El biogás, ya limpio, que se seca (primero en un filtro coalescente y luego en dos columnas de adsorción en paralelo a los puntos de rocío bajos) y ya puede ser reaprovechado.

  3. El aire proveniente de la columna de desorción, que está cargado de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y trazas de metano, por lo que debe de ser tratado antes de ser emitido para cumplir con la normativa vigente.

La oxidación térmica regenerativa (RTO) es la mejor tecnología para alcanzar los valores de emisión que se adapten a la normativa de cada país.

Estos sistemas se caracterizan por incluir dispositivos, llamados regeneradores, que recuperan el calor de los gases depurados.

Estos regeneradores son unos elementos de material cerámico que acumulan el calor de los gases que salen de la cámara de oxidación. Mediante un sistema de válvulas se establecen ciclos de funcionamiento consecutivos por los cuales los gases depurados, que están a una temperatura elevada (unos 800º C.), ceden su calor a las masas cerámicas para que los gases contaminados, que entran fríos a la instalación, tomen de ellas este calor en el ciclo siguiente.

De esta forma, este lecho inerte que actúa como precalentador y recuperador dependiendo del flujo de aire que lo cruza, permite recuperar hasta el 95% del calor producido en la reacción de oxidación, por lo que es posible reducir drásticamente los gastos de explotación de este tipo de plantas.

Podemos encontrar diferentes equipos de RTO:

  • Dos cámaras (con o sin cámara de compensación).
  • Tres cámaras.
  • Más de 3 cámaras para elevados flujos a tratar.

Las características principales de estos equipos son:

  • Mínimo consumo de combustible con eficacias de recuperación de calor muy elevadas.
  • Costes de explotación y mantenimiento bajos.
  • Alta eficacia de depuración.
  • Larga vida útil del equipo.
  • Equipo fiable con resultados altamente probados.

Usos del biogás

La mayoría de las plantas de biogás están equipadas con instalaciones de cogeneración que producen electricidad y calor. Algunas veces no se puede utilizar el exceso de calor y por tanto no se optimiza el resultado de las plantas de DA. En estos casos la alternativa es la producción de biometano que ofrece interesantes variantes económicas.

Mediante las tecnologías de enriquecimiento del biogás se elimina el CO2 del biogás de forma muy eficiente y se produce biometano con una calidad equivalente a la del gas natural (CH4 97-99%). Cabe destacar que el biometano es un gas renovable de elevada calidad, que se puede inyectar directamente en las existentes de gas natural.

Algunos de sus usos son:

  • Combustión en instalaciones alejadas de la producción (ciclo combinado).
  • Biogás para el consumo directo en los hogares o industria.
  • Biocombustible para vehículos.

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Tratamiento de aguas residuales en la industria del vino

tratamiento aguas residuales vinoCada año existen más regiones productoras de vino, aunque sólo 10 países producen el 80% del vino del planeta. Entre Francia, Italia y España se produce casi el 50% del vino de todo el mundo. A continuación, Estados Unidos, Chile, Argentina, Australia, Sudáfrica, Alemania y Portugal completan, en este orden, la lista de las 10 regiones mayores productoras de vino del mundo.

La producción de vino no es ajena ni a la generación de residuos ni a un elevado volumen de aguas residuales. Éstas se producen básicamente en los procesos de limpieza de los equipos y maquinaria que están en contacto con la materia prima o con los productos de los diferentes procesos (depósitos, prensas, tolvas de recepción, despalilladoras, bombas, tuberías, filtros, etc.), en el lavado de las botas, de las barricas y de las botellas, así como en los derrames accidentales en los numerosos trasvases que se llevan a cabo durante el proceso de elaboración del vino.

En relación a la producción de efluentes, tanto por la cantidad como por las características, conviene diferenciar entre las épocas de vendimia, bodega y embotellado.

  • Vendimia: durante esta época, que tiene una duración de entre 2 y 6 semanas, se produce el 50% de las aguas residuales de todo el año. Además, también son las que más carga contaminante contienen. Se generan tras la molturación de la uva, en la limpieza de los equipos utilizados y en los derrames accidentales. La DQO de estos efluentes está entorno a los 20.000-25.000 mg O2/L.
  • Bodega: durante la crianza de los caldos, se generan aguas residuales al limpiar los depósitos de fermentación. También, antes del embotellado se clarifica el vino en frío y los sedimentos que se separan, se suelen concentrar mediante filtración o centrifugación; generando un residuo sólido y un efluente líquido. Asimismo, se generan aguas residuales cuando mediante sosa caústica se limpian los cristales de bitartrato potásico adherido a las paredes de los tanques. Estos vertidos tienen valores de pH muy elevados.
  • Embotellado: en este proceso se generan aguas residuales al lavar las botellas así como durante la limpieza y desinfección de los circuitos y equipos, al inicio y al final de la jornada laboral. Estas aguas residuales son las que menor carga contienen.

Los efluentes generados en este tipo de industria contienen una carga contaminante elevada que hace que no puedan ser vertidos sin un tratamiento adecuado previo. En general, contienen una carga orgánica elevada (DQO de 6.000-12.000 mg O2/L) – aportada por etanol, ácidos orgánicos y/o azúcares -, pH ácido (entre 4,5 y 5,5), déficit de nutrientes (nitrógeno y fósforo), concentraciones moderadas de sólidos en suspensión y compuestos como polifenoles, tartratos, etc. La mayoría de los compuestos, excepto los polifenoles, son fácilmente biodegradables.
Al proceder las aguas residuales de procesos de lavado, de derrames accidentales durante los trasvases, etc., su producción y sus características varían considerablemente en función de la época del año y de la operación que genera el vertido. Así pues, el vertido de este tipo de industria está sometido a la estacionalidad y a una amplia variabilidad, tanto en el caudal como en la composición.

Dadas todas estas características de la producción de aguas residuales en este tipo de industria, a la hora de analizar qué tipo de tratamiento es el más conveniente, cabe señalar que el primer paso debe ser el análisis de los diferentes efluentes para evaluar de qué manera, uno a uno, se puede disminuir su producción. Y es que, en función de diferentes factores, como el tamaño de la instalación, la producción, los métodos de limpieza y el coste, etc., en la producción de vino se consume entre 1 y 6 litros de agua por litro de vino elaborado. Así pues, para minimizar los costes de explotación del sistema de tratamiento de las aguas residuales, será clave la reducción máxima de los caudales generados (minimizar derrames accidentales, implantar limpieza en seco siempre que sea posible, realizar limpiezas a alta presión cuando sea difícil en seco, etc.).

El tipo de tratamiento de aguas residuales en una industria vinícola dependerá de la calidad exigida para el agua tratada, que dependerá de si se vierte a la red de alcantarillado pública, a un cauce natural o si en cambio se desea reutilizar dentro del proceso o para regar el viñedo. En orden creciente de complejidad del tratamiento, las etapas serían las siguientes:

Pretratamiento y neutralización

En esta etapa se separan los sólidos que contiene el agua residual, que por su tamaño, podrían dificultar los siguientes procesos de tratamiento. También se ajusta el pH para que el efluente pueda ser o bien tratado o bien vertido al alcantarillado público si reúne las condiciones.

Tratamiento primario

En este proceso se elimina una importante fracción de materia orgánica (entorno al 30-40%) al separar la mayor parte de los sólidos suspendidos. Se pueden separar por decantación natural o por precipitación mediante procesos de coagulación-floculación.

Tratamiento secundario

En esta etapa se eliminan la materia orgánica y los nutrientes disueltos en el agua residual. El proceso más adecuado dependerá del caudal a tratar y de la calidad del efluente tratado, la cual dependerá de su destino. En la tabla se resumen qué sistemas serían adecuados en función de estos factores. Sea cual sea el sistema elegido, se dispondrá de una línea de agua y una línea de lodos. La línea de agua estará compuesta básicamente por el reactor biológico y las etapas previas a éste, mientras que en la línea de lodos será conveniente una etapa de espesamiento y, posteriormente, una etapa de deshidratación.

Cabe señalar que para que el proceso biológico se desarrolle adecuadamente, será necesaria la adición al reactor de fuentes de nitrógeno (urea) y de fósforo (fosfato amónico), puesto que estas aguas residuales poseen una proporción de carbono, nitrógeno y fósforo descompensada para el crecimiento de los microorganismos.

Tratamientos avanzados

Si el efluente del tratamiento secundario se desea reutilizar para regar el viñedo, previamente deberá ser sometido a una etapa de desinfección. La desinfección más compatible con los posteriores usos de esta agua son la oxidación mediante ozono y la radiación ultraviolada. En cambio, si se desea utilizar el agua de nuevo en el proceso, será necesario un tratamiento más completo para mejorar su calidad. El efluente del tratamiento secundario deberá ser filtrado (mediante un lecho granular de arena o similar) como proceso de pretratamiento previo antes de un proceso de filtración por membranas, generalmente, una ultrafiltración y después una ósmosis inversa. La calidad del permeado de la ósmosis inversa es excelente y permite cualquier uso dentro del proceso de elaboración del vino.

Una tecnología aún en fase de desarrollo, pero que puede arrojar muy buenos resultados económicos, consiste en producir una fermentación del agua residual para transformar todos los azúcares presentes en etanol, el cual puede ser separado mediante un proceso de concentración-evaporación al vacío. El etanol separado representa en torno al 85% de la DQO inicial. Así, por un lado se dispone de etanol, un subproducto revalorizable, y por otro lado de un agua residual descontaminada parcialmente, con una DQO alrededor de 250-300 mg O2/L. Esta reducción de DQO supone una considerable disminución del oxígeno que se debe aportar en el proceso biológico, por lo que el ahorro económico es muy importante.

Así pues, teniendo en cuenta que la mayor parte de las aguas residuales se generan durante los procesos de lavado, es muy importante aplicar buenas prácticas para reducir al máximo el volumen producido. Por lo general, las aguas deberás ser tratadas mediante un proceso biológico para eliminar la elevada carga orgánica que contienen. El tipo de proceso, así como si se deberá añadir también algún tratamiento terciario, dependerá en gran medida del destino de las aguas tratadas, que será su vertido a la red de alcantarillado pública, a cauce natural, su reutilización para riego o incluso para utilizarlas de nuevo dentro del proceso.

efluente vino