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Ingeniería ambiental

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

Utilización del biogás en pilas de combustible

Usaremos los residuos como fuente de energía sostenible

El crecimiento económico está basado en un uso cada vez mayor de energía, hecho que obliga a la búsqueda de energías más sostenibles. Las energías renovables tradicionales están dejando paso a nuevos sistemas de generación de energía, aún a día de hoy en un estado emergente, pero que tienen un gran potencial y pueden convertirse en la base del sistema energético del siglo XXI.

Una de estas fuentes de energía está basada en la utilización del hidrógeno para la obtención de energía eléctrica y energía térmica. Las dos ventajas principales que a priori ofrece el uso del hidrógeno como fuente de energía son que: (1) su combustión no contamina, tan sólo genera agua, y (2) es inagotable.

No obstante, aunque la disponibilidad de hidrógeno esté asegurada, se trata de un elemento que no se encuentra en estado puro en la Tierra y que, por tanto, se necesitan tecnologías capaces de generarlo de forma eficiente. El hidrógeno se puede encontrar en la naturaleza, combinado, formando parte del agua, de los combustibles fósiles y de la materia orgánica. Se puede obtener hidrógeno del agua descomponiendo ésta mediante el uso de electricidad, proceso conocido como electrólisis. También se puede obtener hidrógeno a partir de los combustibles fósiles a través del proceso de reformado, en el cual mediante el uso de un catalizador, agua y energía se transforma el combustible fósil en hidrógeno y CO2. Por último, también se puede obtener hidrógeno de la biomasa. Ésta puede ser tratada mediante un proceso de biometanización para producir biogás, y posteriormente el metano convertido en hidrógeno a través del proceso de reformado. La principal diferencia entre la obtención del hidrógeno del biogás, o bien de los combustibles fósiles, reside en el hecho de que el CO2 producido en el caso del biogás no supone un aumento de emisiones a la atmosfera, puesto que previamente ya se encontraba en la atmosfera y fue fijado por las plantas, mientras que el CO2 generado en la utilización de los combustibles fósiles es una contribución neta de emisiones productoras del efecto invernadero.

El uso potencial de las pilas de combustible para la obtención de energía se basa en el consumo del hidrógeno producido a partir del biogás procedente de la biometanización de biomasa, de la fracción orgánica de los RSU, de los subproductos carbonatados de la industria, etc. Después de eliminar los contaminantes presentes, generalmente el metano debe ser concentrado y después sometido a un proceso de reformado para la obtención del hidrógeno que se alimentará a la pila de combustible. El reformado no es preceptivo en todos los casos, puesto que cierto tipo de pilas de combustible pueden funcionar con alimentación de metano directamente (en realidad, la pila incorpora internamente su reformador).

La pila de combustible es el sistema que transforma, vía un proceso electroquímico, el hidrógeno en energía eléctrica y en energía térmica. Aunque en función del tipo de pila existen numerosas diferencias, todas se basan en la utilización de dos electrodos conductores separados por un electrolito iónico (celda electroquímica). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan, por separado, cada uno en un electrodo diferente. En el ánodo, una molécula de hidrógeno produce dos protones y dos electrones. Simultáneamente, en el cátodo reaccionan cuatro protones, cuatro electrones y una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Tanto los protones como los electrones se forman en el ánodo y migran hacia el cátodo. Pero mientras los protones se abren paso a través del electrolito, los electrones pasan por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica. De este modo el hidrógeno se combina con el oxígeno para dar agua sin que lleguen a entrar en contacto.

En cuanto a los elementos que constituyen la pila de combustible, cabe destacar el conjunto de monoceldas, llamado stack, necesario para obtener una potencia mayor, un sistema que haga posible el suministro y evacuación de los gases y un mecanismo que disipe la energía calorífica formada. Existen diferentes tipos de pilas de combustible y el elemento diferenciador es el tipo de electrolito utilizado. Se pueden encontrar:

  • Pilas de combustible poliméricas (PEMFC)
  • Pilas de combustible alcalinas (AFC)
  • Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
  • Pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)
  • Pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC)
  • Pilas de combustible de metanol directo (DMFC)

En la tabla se resumen las características de cada tipo de pila de combustible.

biogas en pilas de combustible

Las pilas de combustible son un sistema interesante para aprovechar el biogás generado por varias razones. Primeramente, presentan mayor eficiencia que otras tecnologías de conversión de la energía. Mientras que los motores de combustión tienen una eficiencia eléctrica de 35%-40% y las microturbinas de 25%-30%, las pilas de combustible actualmente ofrecen una eficacia eléctrica cercana al 50%. Además, no producen ningún tipo de contaminación, ya que ni generan gases contaminantes ni tampoco ruido ambiental. También supone una ventaja su naturaleza modular, pues se varía la escala añadiendo o retirando módulos independientes. Finalmente, se debe destacar su elevada flexibilidad de operación. Una pila de combustible puede operar a elevado rendimiento y de forma continuada en un amplio rango de potencias. Uno de los requisitos indispensables para la utilización de la pila de combustible es disponer de un biogás libre de contaminantes. Hecho que no es un problema grave pues las tecnologías actuales de tratamiento del biogás son robustas, eficaces y económicas.

No obstante, para que el uso de la pila de combustible sea competitivo económicamente, se deben mejorar aspectos como la eficacia eléctrica –actualmente se sitúa sobre el 50% y aún tiene margen de mejora–, así como la durabilidad y el coste de las pilas.


 

Cada día se está más cerca de la profecía que Julio Verne lanzó en 1875 en su novela “La isla misteriosa”:

residuos orgánicos para combustible de automoción

Residuos orgánicos para combustible de automoción.
Créditos: ©1985 “Back to the Future” Universal Pictures

Creo que un día el agua será un carburante, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o conjuntamente, proporcionarán una fuente inagotable de energía y de luz, con una intensidad que el carbón no puede; que dado que las reservas de carbón se agotarán, nos calentaremos gracias al agua. El agua será el carbón del futuro.

Todavía no estamos ni tan siquiera cerca de una solución autotransportada que aproveche directamente cualquier residuo orgánico tal como en cine nos sugirió con “Regreso al futuro” en la forma de un Delorean convertido en máquina del tiempo que permitía introducir directamente en el “depósito” todo tipo de desperdicios que serían el combustible del reactor de fusión que se supone era la planta motriz del susodicho vehículo venido de un hipotético futuro.

Por el momento tenemos que conformarnos con producir hidrógeno de forma económica y sostenible y tal como hemos estado explicando anteriormente, conseguir llevar las pilas de combustible a un techo de eficiencia superior que permita conseguir las prestaciones y autonomía de los más avanzados motores de combustión.

Condorchem ayuda a la industria

Desde Condorchem podemos ayudar a la industria a obtener biogás a partir de residuos orgánicos, ya sea para su combustión en sistemas de cogeneración como para fraccionarlo en hidrógeno, metano y resto de componentes.

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Vertido cero: Concepto y tecnología

Secciones

Definición

La inmensa mayoría de actividades industriales generan efluentes líquidos, en mayor o menor cantidad, que deben ser gestionados correctamente por la carga contaminante que contienen. Estos efluentes se generan cuando se utiliza el agua para refrigerar o calentar, en las limpiezas de los equipos, dentro del propio proceso, etc.

La normativa medioambiental es cada vez más restrictiva y generalmente no permite que los efluentes líquidos puedan ser vertidos sin un tratamiento previo. La solución convencional pasa por instalar una serie de procesos fisicoquímicos y/o biológicos que tratan el agua lo necesario para conseguir cumplir la normativa de vertido.

No obstante, existe un gran número de situaciones donde el efluente tratado, o no puede ser vertido por razones geográficas, o requiere un esfuerzo económico elevado conseguir que el efluente sea evacuado. En otras situaciones, cuando se producen efluentes líquidos de naturaleza compleja, los sistemas de tratamiento convencionales necesarios no son competitivos a nivel económico.

Ante estos escenarios, el concepto de vertido cero se está forjando como la opción más sostenible a nivel ambiental y, en muchas ocasiones, también a nivel económico.

El concepto de vertido cero se basa en el uso de técnicas y procesos que hacen posible la reutilización de la totalidad de las aguas residuales con un doble objetivo: (1) reducir al máximo el consumo de agua de red, y (2) minimizar la cantidad de residuos que deben ser gestionados externamente.

Las ventajas de la aplicación de esta filosofía, en relación con la solución convencional, son numerosas, destacando especialmente las siguientes:

  • Ahorro en el consumo de agua de red.
  • Reducción radical de la cantidad de residuos a gestionar externamente.
  • Mejora de la imagen corporativa por la sensibilidad ambiental que demuestra la implantación de este sistema.
  • Facilidad para la posterior implantación de un sistema de gestión medioambiental.
  • Ahorro económico en la gestión de residuos externa.
  • Ahorro económico en la fiscalidad del vertido.
  • Ahorro económico en posibles sanciones administrativas por no adecuación del vertido a la normativa.
  • Flexibilidad del sistema en cuanto a cambios en la composición.
  • Necesidad de poco espacio, pues son sistemas compactos.
  • Simplicidad de explotación.
  • Alto grado de automatización.
  • No necesidad de personal técnico especializado.
  • Bajo coste de personal.
  • Ahorro en el consumo de reactivos químicos.
  • Elevado nivel de autosuficiencia en el consumo de agua.
  • Posibilidad de aprovechar calores residuales de otros procesos, disminuyendo extraordinariamente los costes de explotación.

La implantación de un sistema de gestión basado en el concepto de vertido cero supone el tratamiento de todos los efluentes líquidos cuanto sea necesario hasta que su calidad permita su introducción de nuevo en el proceso, de modo que el rechazo final sea mínimo.

El campo de aplicación de este sistema de gestión es tan amplio como el número de actividades diferentes que generan efluentes líquidos, con alguna pequeña limitación. En la tabla se resumen las actividades en las que el sistema de gestión de vertido cero es especialmente útil y ventajoso.
aguas residuales industriales

Tecnologías utilizadas en un Sistema de Vertido Cero

Las tecnologías utilizadas para concentrar y minimizar el efluente final se pueden clasificar en:

Tecnologías de Membranas

Tecnologías de Separación Térmica

Se centran en concentrar el rechazo de las técnicas de membrana produciendo agua destilada, reutilizable en el proceso, y un residuo sólido seco, haciendo posible el objetivo de no producir finalmente ningún tipo de vertido.

  • Evaporación al Vacío: reduce al máximo el vertido, con criterios de eficacia, robustez y sostenibilidad.
  • Cristalizadores: Cuando interesa que el único residuo sea un sólido seco, la evaporación al vacío se utiliza seguido de un cristalizador, el cual cristaliza el residuo del evaporador.

La evaporación al vacío es la tecnología más útil para obtener un vertido cero. Mediante esta tecnología se puede recuperar alrededor del 95% de las aguas residuales, obteniendo un agua destilada que puede ser reutilizada. Los residuos de salmuera restantes pueden ser reducidos a sólido en un cristalizador.

Sin embargo, la evaporación por sí sola puede ser una opción cara cuando los caudales son considerables. Una manera de resolver este problema es la integración de las tecnologías de membrana, especialmente ósmosis inversa y electrodiálisis reversible, con la evaporación. Hoy en día es muy habitual combinar ambas tecnologías en el diseño de sistemas de vertido cero.

Mediante la combinación de las tecnologías de membranas con la evaporación y la cristalización, los sistemas de vertido cero han resultado más eficientes y menos costosos. La forma en que se combinan dichas tecnologías depende del efluente a tratar.

tecnologías para vertido cero

MF: microfiltración; UF: ultrafiltración; EDR: electrodiálisis reversible.

En el gráfico se observa el ciclo virtuoso que representa el concepto de vertido cero. No en todos los casos son necesarios todos los procesos representados. Los procesos de membrana (MF, UF, EDR y OI) generan una elevada cantidad de agua apta para ser reutilizada. Y los procesos térmicos (evaporación y cristalización) tratan los rechazos producidos en los procesos anteriores, produciendo más agua apta para ser reutilizada y un residuo final sólido y seco.

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Diseño de un sistema de vertido cero

La mayoría de las industrias utilizan agua de alguna forma en sus procesos de producción. Esta agua acaba generando unos efluentes que habrán de ser tratados con el objetivo de obtener nuevamente agua limpia, que podrá ser reutilizada mediante un sistema de vertido cero, o vertida a la naturaleza en función de los intereses de la empresa.

Sin embargo, el flujo de efluentes y su composición resulta muy variable y este es uno de los principales problemas en el diseño de un sistema de vertido cero: entender el efluente a tratar.

Factores esenciales en el diseño:

Debido a que cada efluente es diferente no se puede diseñar un sistema de vertido cero que funcione como sistema único y aplicable de forma general. Así, la composición del efluente es esencial en el diseño de un sistema de vertido cero.

Un efluente mal descrito conducirá a un diseño que está lejos de su nivel óptimo, bien porque sea demasiado grande y caro o demasiado pequeño para lograr la separación requerida.El caudal acostumbra a determinar el tamaño de la instalación y, por tanto, el coste inicial de la misma.

Por otra parte, los componentes del efluente también deben ser analizados y preferiblemente en diversas ocasiones para ver si puede haber diferentes composiciones. Dependiendo del proceso que se utilice las composiciones pueden variar ligeramente.

Las medidas más comunes a analizar hoy en día son la demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), carbono orgánico total (TOC), así como el análisis de inorgánicos (aniones, cationes, sílice).

Pese a la versatilidad en cuanto a la naturaleza de la contaminación de este sistema de gestión, no lo es tanto en relación con la cantidad de caudal a tratar. Para vertidos elevados (caudales superiores a 50 m3/h) no es una tecnología competitiva.

También se debe tener en cuenta que, cuando el efluente es rico en componentes volátiles, el destilado debe ser post-tratado para que pueda ser reutilizado. Y este proceso incrementa sensiblemente la inversión inicial.

Hoy en día la mayor parte de las instalaciones de vertido cero se llevan a cabo en diferentes sectores industriales y en actividades relacionadas con la producción de energía, así como en vertederos de Residuos Sólidos Urbanos.

Descripción general de los componentes principales de un sistema de vertido cero

1. Ósmosis inversa

La ósmosis inversa es un proceso donde el agua está bajo presión para que pase a través de una membrana semi-permeable, dejando las sales inorgánicas disueltas y sílice atrás.

Hay que tener en cuenta que algunos compuestos orgánicos y los sólidos en suspensión pueden dañar los sistemas de ósmosis inversa, por lo que es recomendable llevar a cabo un pretratamiento o filtración antes de utilizar esta tecnología.

2. Electrodesionización (EDI)

Se trata de un proceso de membranas en el que los electrolitos migran a través de membranas selectivas de carga en respuesta a un campo eléctrico.

Durante el proceso la polaridad de los electrodos se invierte varias veces por hora y el agua dulce y las aguas residuales concentradas se intercambian dentro de la pila de membrana para eliminar suciedad y descamación.

La electrodesionización también requiere la eliminación previa de los sólidos y los compuestos orgánicos para un funcionamiento fiable.

3. Evaporadores al vacío

Los evaporadores al vacío son una de las tecnologías más novedosas y eficaces para la minimización y tratamiento de residuos industriales líquidos en base acuosa. Dicha tecnología es limpia, segura, muy versátil y con un coste de gestión muy bajo.

Encontramos una gran variedad de evaporadores: evaporadores al vacío por bomba de calor , evaporadores al vacío por compresión mecánica del vapor , los evaporadores al vacío para caudales elevados , los de película descendente, circulación forzada, con rascador y aquellos que funcionan con agua caliente por múltiple efecto., etc.

La gran ventaja de los evaporadores al vacío es que producen un destilado muy limpio, que por lo general contiene menos de 10 ppm, siendo esta una de las razones principales por las que se utilizan en sistemas de vertido cero.

Normalmente el evaporador se utiliza para tratar los rechazos de las membranas y concentrar los residuos contenidos en el efluente hasta un estado prácticamente sólido.

Destaca su capacidad para concentrar salmueras, un problema muy habitual en muchas industrias.

4. Cristalizadores

Un cristalizador es un tipo de evaporador de circulación forzada, que utiliza un compresor mecánico de vapor como fuente de energía.

El cristalizador consigue reducir a un sólido seco el rechazo de un evaporador para su posterior eliminación. Por otra parte, se obtiene un agua de alta pureza para su reutilización.

5. Balsas de evaporación

El procedimiento de evaporación por balsas se ha utilizado desde hace mucho tiempo para el tratamiento de aguas residuales. La idea consiste en depositar las aguas residuales en una gran balsa abierta, de forma que el agua acabe evaporándose debido a la radiación solar y el viento.

Esto implica una reducción de costos, a la vez que se obtiene un incremento de la concentración de los materiales (o subproductos) que tienen aprovechamiento comercial.

También pueden presentar algunos problemas, sobretodo los relacionados con la generación de olores cuando hay cerca un núcleo poblado y se almacenan aguas con elevada carga orgánica. En estas situaciones se pueden aplicar tecnologías para el enmascaramiento de olores , que consiste en nebulizar un producto químico que neutraliza el olor.

También es frecuente que en épocas de lluvia la balsa se llene mucho más que lo que evapora. Para subsanar este problema se requiere de un diseño adecuado de la balsa y de la ayuda de un sistema de nebulización de agua (evaporación forzada), que permiten incrementar la velocidad de evaporación más de 20 veces que con la evaporación natural.

A pesar de su sencillez, las balsas de evaporación pueden resultar muy útiles para el cometido de obtener el vertido cero en rechazos salinos y otros efluentes de componente mineral, ya que ningún efluente es vertido directamente en el entorno natural.

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Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea

lacteosLa industria láctea, dedicada a la producción de leche y a la elaboración de quesos, yogures y mantequillas entre otros productos, genera una gran cantidad de agua residual. Actualmente, en la producción de leche, la generación de aguas residuales se estima de promedio entre 1 y 2 litros por litro de leche producida. Las aguas residuales se generan por fugas y derrames de materias primas, en las limpiezas de los equipos de proceso (tanques, pasteurizadores, tinas de cuajo, etc.), en el lavado de superficies (suelos y paredes) y en el vertido de las salmueras agotadas.

Las aguas residuales generadas en la industria láctea presentan una contaminación principalmente de carácter orgánico (DQO y DBO elevadas), con una elevada concentración de grasas y también de nitrógeno y fósforo. Aunque la DBO5 media puede estar en torno a 3.000-4.000 mg O2/L, los vertidos muestran una elevada variabilidad, tanto en caudal como en composición. Ésta depende fundamentalmente del proceso que genera las aguas residuales y del producto que se prepara. Así, el suero que se genera en la elaboración de quesos tiene una DBO del orden de 40.000-50.000 mg O2/L y se considera que una granja que procese unos 100 m3/día de leche para la elaboración de queso, genera la misma contaminación que un núcleo de 55.000 habitantes. Para una optimización de los procesos de tratamiento de las aguas residuales, es muy importante que el suero de quesería, o lactosuero, no se mezcle con las aguas residuales. Si el lactosuero no se desea aprovechar, éste deberá ser tratado de forma aislada. No obstante, cada vez existen más alternativas para revalorizar este producto. Se puede optar por utilizarlo para la alimentación de animales, se puede deshidratar mediante una evaporación al vacío para venderlo como suero en polvo para aplicaciones de panificación o como sustituto de la leche en polvo, otra vía es su utilización para la obtención de lactosa, se puede usar para la elaboración de bebidas fermentadas con la adición de zumos de frutas, etc. Si no se desea aprovechar, el tratamiento más económico es concentrarlo mediante un proceso de nanofiltración o de ósmosis inversa. El rechazo se puede concentrar mediante un proceso de evaporación-concentración al vacío para reducir al máximo la cantidad de residuo que se deberá tratar externamente. El concentrado, rico en carbono, nitrógeno y fósforo podrá ser utilizado para aplicación agrícola como fertilizante.

El tratamiento del resto de las aguas residuales producidas en la industria láctea se puede abordar desde diferentes estrategias: un tratamiento convencional, un proceso más novedoso o un tratamiento de última generación. En cualquier caso, sea cual sea la opción de tratamiento elegida, será necesario acumular el agua residual en un depósito homogeneizador, para absorber las puntas de caudal así como para mezclar todos los efluentes y alimentar al sistema de tratamiento un agua lo más homogénea posible. En este depósito también es conveniente neutralizar el pH, puesto que en condiciones anaerobias la lactosa fermenta y se transforma en ácido láctico.

El tratamiento convencional estaría basado en un proceso biológico aerobio para eliminar la materia orgánica disuelta, que es aproximadamente el 70% de la materia orgánica total. No obstante, previamente al proceso biológico sería conveniente desbastar el agua mediante un tamiz rotatorio, de 1-2 mm de tamaño de paso, y retirar las grasas presentes. Las grasas dificultan en gran medida el proceso biológico, por lo que es conveniente separarlas con anterioridad. Las grasas reducen la velocidad de disolución del oxígeno en el agua y forman una capa sobre la superficie de la biomasa reduciendo así la transferencia de oxígeno disuelto a la biomasa. Las grasas se separan del agua por flotación mediante la adición de finas burbujas de aire, que ayudarán a las partículas de grasa a alcanzar la superficie con mayor velocidad. Las grasas, una vez separadas del agua y concentradas, se gestionan externamente (incineración). A continuación, las aguas se tratan biológicamente mediante un sistema que permita la eliminación de nutrientes. Después de una decantación secundaria las aguas ya pueden ser vertidas, mientras que los lodos separados deberán ser espesados, deshidratados y gestionados externamente. Estos lodos deberán ser estabilizados, mediante un proceso de compostaje, de digestión anaerobia, de secado térmico, etc.

Otra opción de tratamiento, más novedosa que el proceso biológico aerobio, es la transformación de la materia orgánica de las aguas residuales en biogás mediante un sistema anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Los procesos biológicos anaerobios son más eficaces y económicos cuando el afluente dispone de una elevada concentración de compuestos orgánicos biodegradables. En relación al proceso biológico se consume menos energía y además se produce biogás, el cual se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante un proceso de cogeneración. Asimismo, la producción de fangos es considerablemente inferior en los sistemas anaerobios. En un reactor UASB el afluente se alimenta por la parte inferior. Éste atraviesa un manto de fango decantado en la base del reactor en sentido ascendente y accede a la zona donde se lleva a cabo la digestión. Por la parte superior se retira el efluente tratado y el biogás generado. Este tipo de reactores son muy compactos, ocupan poco espacio, presentan bajos costes de operación y consiguen muy buenos porcentajes de eliminación de DBO (superiores al 95%).

Otra alternativa, más innovadora y que aporta también muy buenos resultados a escala laboratorio y piloto, es la electrocoagulación. Los estudios realizados hasta el momento demuestran que se pueden conseguir muy buenos resultados de eliminación de materia orgánica a unos costes de explotación mucho más bajos que mediante las tecnologías convencionales.

Así pues, los efluentes de la industria láctea presentan una elevada concentración de materia orgánica y de nutrientes. Un factor determinante para el tratamiento de las aguas residuales generadas es la segregación del lactosuero de las aguas residuales, el cual se puede revalorizar. El resto de aguas residuales pueden ser tratadas de forma eficiente y económica mediante diferentes alternativas, desde los procesos clásicos hasta tecnologías muy innovadoras que son económicamente más competitivas.

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.