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Tratamiento de los efluentes generados en la industria metal-mecánica

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Efluentes del sector metal-mecánica

El sector metal-mecánica comprende un gran número de actividades económicas, muy diferentes entre sí, que comparten tanto los materiales que utilizan, como los residuos y efluentes que generan. Las actividades más importantes de este sector son las estructuras metálicas y la calderería.

La primera incluye todo tipo de construcción metálica hecha a partir de tubos, perfiles y chapas, atornilladas, remachadas o soldadas.

La calderería agrupa un gran surtido de piezas y equipos fabricados con chapa y que incluyen juntas estancas; los productos pueden ir desde el típico depósito, a intercambiadores de calor o evaporadores, pasando por tubos y conductos, serpentines, etc.

Otras actividades incluidas en este sector son aquellas de transformación de metales sin arranque de viruta (por estampación, extracción, trefilado, embutición), las de mecanización con arranque de viruta (fresado, torneado, rectificado, corte, etc.) y las de acabados basados en tratamientos térmicos y de superficies. Así pues, la variedad de actividades es realmente amplia.

Tratamiento de taladrinas

Todas estas actividades tienen en común que utilizan como materia prima los mismos materiales: acero, hierro, acero inoxidable, aluminio, etc., además que producen impactos ambientales similares.

Básicamente, los aspectos que más incidencias sobre el medio ambiente causan son las emisiones de gases nocivos y contaminantes a la atmósfera, la generación de efluentes líquidos que deben ser convenientemente tratados antes de su vertido y la producción de residuos sólidos.

Por el tipo de actividad, este tipo de industria es una gran consumidora de aceites lubricantes, utilizados asiduamente para facilitar la lubricación y refrigeración en las diferentes modalidades de corte, moldeado y tratamiento mecánico de piezas metálicas.

Estos aceites lubricantes, una vez han sido utilizados, se convierten en un residuo líquido contaminante que debe ser gestionado correctamente.

De entre todos los productos utilizados, los que tienen mayor relevancia son las taladrinas, que son utilizadas mayoritariamente en la industria del mecanizado metálico por sus propiedades:

  • Lubricantes, protegiendo las herramientas al reducir la fricción.
  • De refrigeración, evitando un sobrecalentamiento de piezas y herramientas, que provocaría microsoldaduras que originarían un mal acabado superficial.
  • De evacuación de limaduras, evitando el efecto abrasivo de las mismas.
  • De prevención de la corrosión a máquinas y piezas.

Así, el uso de taladrinas es necesario en los procesos en los cuales se produce un contacto directo entre la pieza metálica que se está trabajando y la herramienta utilizada por sus propiedades lubricantes, refrigerantes, de evacuación de las virutas y limaduras producidas, además de prevención de la formación de óxido.

Características de las taladrinas como contaminantes

A medida que se van utilizando las taladrinas, sus propiedades se van reduciendo, decayendo su rendimiento y contaminándose con agentes externos tales como aceites y grasas, partículas metálicas, polvo ambiental, microorganismos que degradan la materia orgánica, etc.

Llegadas a este punto, las taladrinas se convierten en residuos altamente contaminantes, tanto para el medio ambiente como para el entorno de trabajo, por lo que son consideradas como residuos peligrosos por la normativa europea.

A su potencial contaminante debe añadirse que su correcta gestión es muy costosa, por el hecho de la elevada proporción de agua que contiene, que incrementa el volumen de residuo original además de producir una fuerte emulsión, que dificulta posteriormente los procesos de separación y depuración.

Para mejorar su capacidad lubricante, en la formulación de las taladrinas se incluye aceite y, para aumentar su capacidad refrigerante, se añade agua.

Esto hace que a nivel industrial existen muchos tipos diferentes de taladrinas, que en realidad son una emulsión aceite-agua, dependiendo de qué propiedades se desee potenciar.

Siendo el agua y el aceite los componentes principales de las taladrinas, también incorporan una larga lista de aditivos, entre los que se destacan los siguientes:

  • Tensoactivos: sulfonatos de sodio y glicoles
  • Inhibidores de la corrosión: aminas, amidas, boratos, nitritos, etc.
  • Humectantes: alcoholes, fosfatos, etc.
  • Antiespumantes: ésteres, siliconas, derivados etoxilados, etc.
  • Biocidas: formoles, fenoles, boro, poliglicoles, etc.
  • Aditivos para operación a alta presión

El consumo de las taladrinas es continuo y periódico, debido a la pérdida de sus propiedades y al consumo neto producido por los derrames y los arrastres con las piezas.

El uso continuado de las taladrinas hace que sus propiedades vayan mermando debido a las altas temperaturas alcanzadas durante el mecanizado de metales, los componentes más volátiles se evaporan.

Las pérdidas de taladrinas producidas por los derrames, el arrastre con las piezas, etc. se unen a las aguas residuales generadas en la planta y forman el efluente conocido como “aguas aceitosas”.

Por otro lado, los baños de taladrinas se van contaminando a medida que aumenta su utilización (con impurezas metálicas) y también están sometidos a procesos de degradación microbiológica; por todo ello, es necesaria su reposición periódica y se generan unos residuos líquidos llamados “taladrinas agotadas”.

En aquellas empresas que tienen un gran consumo de taladrinas, existen unidades de recuperación de taladrinas que, después de un proceso de separación de limaduras y virutas metálicas, se consigue alargar un poco más la vida útil del baño de taladrinas.

Es así que los procesos que utilizan taladrinas generan unos efluentes tóxicos e irritantes que contienen metales pesados, biocidas, productos de descomposición de naturaleza tóxica, etc. que hacen que la normativa europea los catalogue como residuos peligrosos y que no puedan ser evacuados a la red pública de alcantarillado por los graves problemas que causaría en las instalaciones de depuración.

La mayoría de los procesos convencionales utilizados en el tratamiento de las taladrinas deben ser revisados y actualizados debido, principalmente, a dos factores.

Por un lado, la legislación en materia de vertidos es cada vez más estricta y restrictiva. Y, por el otro lado, cada vez se hacen patentes más dificultades para un tratamiento efectivo.

Estas dificultades tienen su origen en el cambio reciente de la formulación de las taladrinas, que, en detrimento de las emulsiones de aceite, han pasado a ser de naturaleza sintética, siendo mayor la dificultad de la ruptura de la emulsión y así, también de la separación de la fracción oleosa de la taladrina.

Además de las taladrinas, las aguas residuales generadas en las actividades del sector metal-mecánica también presentan sólidos en suspensión, metales varios, elevada conductividad, fosfatos y tensioactivos.

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Tratamientos de taladrinas

Existen diferentes métodos de tratamiento de estos efluentes, los cuales se pueden clasificar en si son destructivos o no destructivos.

Entre los métodos no destructivos se encuentran el tratamiento químico, el tratamiento mediante membranas y la evaporación. Y entre los métodos destructivos se hallan el tratamiento biológico, la incineración y los procesos de oxidación avanzados (oxidación húmeda y oxidación con agua supercrícita, OASC).

A continuación, se analizan por separado las diferentes alternativas de tratamiento:

Proceso químico

Es uno de los tratamientos más utilizados en el siglo pasado puesto que la base es muy conocida y es fácilmente escalable en un amplio rango de caudales a tratar.

La filosofía del tratamiento se basa en la neutralización de las cargas superficiales con el fin de romper la emulsión.

Tradicionalmente, esto se ha conseguido mediante la adición de ácidos inorgánicos como sulfúrico o clorhídrico y sales tales como cloruro sódico, cloruro cálcico, sulfato férrico, cloruro de hierro y de magnesio y sulfato de aluminio. La adición de una cantidad suficiente de catión da lugar al proceso de desemulsificación.

No obstante, en la formulación de las taladrinas se ha buscado obtener productos más estables para resistir el ataque de los cationes liberados en los procesos de corte y mecanizado de metales que tienden a romper la emulsión.

Esto se ha obtenido mediante la dosificación de agentes emulsionantes y dispersantes, lo que ha llevado a que el tratamiento de las taladrinas sea más difícil mediante este tratamiento.

Una variante a la adición de sales inorgánicas para la ruptura de la emulsión es la utilización de polímeros. El principio es el mismo, los polímeros con cationes de gran carga tienen por objetivo desestabilizar las cargas negativas de las gotas de aceite.

El resto de contaminantes presentes en las aguas residuales que acompañan a las taladrinas también pueden ser eliminados en este proceso, aunque en función de la composición exacta del efluente el proceso físico-químico debe ser adaptado.

Tratamiento mediante membranas

Las membranas utilizadas son las de ultrafiltración, puesto que las de microfiltración no presentan una capacidad de retención adecuada y las de nanofiltración y ósmosis inversa se ensucian fácilmente con los compuestos orgánicos de elevado tamaño molecular.

Mediante la ultrafiltración se han conseguido buenos resultados trabajando a baja presión, aunque hay ciertas condiciones de operación que las membranas no toleran, como es el caso de la temperatura moderada-alta (superior a 60 ºC), valores de pH extremos, elevada cantidad de sólidos, grandes cantidades de aceites no emulsionados, presencia de disolventes, etc.

Además, no se debe perder de vista que aquellas moléculas de bajo peso molecular pueden atravesar fácilmente la membrana de ultrafiltración.

Evaporación al vacío

La evaporación al vacío permite el tratamiento efectivo de aquellos efluentes en los que los métodos convencionales no son una solución.

Se trata de una tecnología sencilla, robusta y madura que permite el tratamiento de las aguas aceitosas con una gran eficacia y que se adapta fácilmente a variaciones tanto en el volumen como en la concentración del efluente a tratar.

La tecnología ha evolucionado en las últimas décadas hasta el punto que el consumo energético es moderado y se presenta como una de las alternativas de tratamiento más competitivas.

A esto contribuye tanto la calidad del agua separada como el pequeño volumen de residuos que se genera. En este sentido, se trata de la única alternativa de tratamiento que por sí sola es capaz de reducir el volumen de efluente hasta cantidades muy reducidas sin la necesidad de procesos complementarios.

Tratamiento biológico

Debido a la inclusión en la formulación de las taladrinas de agentes antimicrobianos que permitan que el producto no sea degradado por la acción microbiológica, como es el caso de derivados del boro, fenoles, formoles y poliglicoles, el tratamiento biológico como único tratamiento de esta agua residuales no es altamente efectivo.

Para conseguir rendimientos aceptables de depuración es necesario combinar el tratamiento biológico con un proceso previo físico-químico e, incluso, en ocasiones es necesario refinar el efluente tratado mediante tratamientos terciarios.

Incineración

Aunque la incineración de aceites y grasas es factible debido a la energía liberada por su combustión directa, en el caso de las aguas residuales generadas en este tipo de industrias, que presentan una elevada proporción de agua, la incineración de este efluente no es un proceso viable para su tratamiento, a no ser que se preceda de un proceso de evaporación.

Procesos de oxidación avanzados (oxidación húmeda y oxidación con agua supercrítica (OASC)

La oxidación húmeda consiste en un proceso de oxidación en fase acuosa a presiones y temperaturas moderadas-altas (50-200 bar y 100-300 ºC). En estas condiciones es viable el tratamiento de efluentes con elevadas cargas o que contengan compuestos tóxicos que hagan inviables lo tratamientos convencionales.

La oxidación en agua supercrítica se diferencia de la oxidación húmeda en que las condiciones de presión y temperatura superan el punto crítico del agua (221 bar y 374 ºC).

En condiciones supercríticas la eficacia de destrucción de contaminantes es muy elevada incluso con tiempos de reacción reducidos.

Ambas tecnologías presentan una elevada capacidad de destrucción de compuestos refractarios, la OASC mayor que la oxidación húmeda, pero el elevado coste que conlleva su inversión, funcionamiento y mantenimiento hacen que no sea una tecnología competitiva.

Además, una vez oxidados todos los contaminantes orgánicos, sería necesario algún proceso complementario para tratar el resto de contaminantes como pueden ser los metales, etc.

En la siguiente tabla se comparan entre sí las diferentes alternativas de tratamiento de las taladrinas frente a las variables más relevantes a la hora de seleccionar el proceso de tratamiento de un efluente:

Método químicoMembranas ultrafiltraciónProceso biológicoEvaporación al vacíoOxidación húmedaOASC
Proceso maduroNoNo
Eficacia eliminación aceiteVariableMuy elevadaBajaTotalMuy elevadaTotal
Adaptación variación caudal entradaMalaMalaMalaMuy buenaBuenaBuena
Adaptación variación concentración entradaMuy malaBuenaMalaMuy buenaBuenaBuena
Espacio requeridoGrandeBajoModeradoBajoElevadoElevado
Mantenimiento necesarioBajoModeradoBajoBajoAltoAlto
Generación de residuosAltoModeradoModeradoMuy bajoBajoBajo
Consumo de reactivosAltoMuy bajoMuy bajoMuy bajoModeradoModerado
Consumo energéticoBajoBajoModeradoModeradoModeradoModerado
Necesidad tratamiento complementarioNoSí, para el rechazoNo

Conclusiones

Así pues, el sector metal-mecánica comprende un elevado grupo de actividades económicas que tienen en común, entre otras características, que en todas ellas se utilizan taladrinas para facilitar el trabajo cuando se produce un contacto directo entre la pieza mecanizada y la herramienta que se utiliza.

Las taladrinas, que son una emulsión de agua y aceite con una larga lista de aditivos, van perdiendo sus características a medida que son utilizadas y se deben ir reponiendo.

Fruto de su uso, se producen derrames y arrastres que acaban llegando a las aguas residuales y de limpieza.

Para el tratamiento de estos efluentes líquidos, que además de taladrinas también contienen otros contaminantes como sólidos en suspensión, metales varios, elevada conductividad, fosfatos, tensioactivos, etc. no todos los procesos son viables.

Entre los más competitivos se encuentran el tratamiento mediante membranas de ultrafiltración y la evaporación al vacío, si bien este último es el único proceso capaz de tratar el efluente generando una mínima cantidad de residuos que gestionar.

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