Depuración efectiva de aguas residuales industriales

Transcripción

1 Depuración efectiva de aguas residuales industriales

2 Depuración efectiva de aguas residuales industriales Cada vez existen requisitos más estrictos en lo que concierne a la limpieza de aguas residuales provenientes de la industria. Debido a las nuevas especificaciones legales y modificaciones operacionales, existe una creciente demanda de procesos que aseguran la máxima flexibilidad para las instalaciones depuradoras. Los procesos con oxígeno ofrecen un gran rendimiento permitiendo a las plantas existentes adaptarse a las nuevas tareas sin tener que realizar ampliaciones o inversiones estructurales. Además de los objetivos como incrementar la fiabilidad de los valores prescritos en aguas residuales o asegurar una calidad adecuada para el reuso en la planta, la demanda de espacio juega un papel importante, especialmente en el sector industrial. Los filtros biológicos, plantas de lecho estático y biología de membrana se suman a los conceptos de plantas convencionales en lo que respecta a la extensión o el reemplazo de plantas existentes. Además, el potencial sólo puede ser explotado en su totalidad con oxígeno puro (O2). El dióxido de carbono (CO2) ofrece muchas ventajas para la neutralización de aguas residuales alcalinas. Para flujos parciales contaminados con sustancias persistentes, el ozono (O3) es el remedio ideal. Este folleto describe, basándose en los ejemplos de aplicaciones actuales, como se puede explotar el potencial de la ingeniería de proceso moderna, por medio del uso de los gases técnicos O2, CO2 o O3. El oxígeno en la tecnología de tratamiento de aguas residuales El oxígeno puro es oxígeno atmosférico concentrado sin el lastre del nitrógeno: El oxígeno se puede disolver en agua con mayor rapidez y usando menos energía. Esto permite una respuesta flexible, incluso con demanda de grandes fluctuaciones. Cuando se usa oxígeno puro, sólo se debe introducir el 4% aprox. del volumen de aire, resultando las siguientes ventajas: Menor gasto en aparatos para la entrada de gas Reducción de la formación de aerosoles y de sustancias de olor intenso Menos interrupciones hidráulicas en la operación de plantas No se alteran los procesos de sedimentación por flotación no intencionada (la sobresaturación de nitrógeno en tanques hondos de ventilación permite que el gas salga en la sedimentación final). Fig. 1: Técnica de entrada de oxígeno puro desarrollada por Messer: manguera de gas (izq.), inyector (centro), oxidador (dcha.) Sistemas de entrada de oxígeno Las ventajas económicas del suministro de oxígeno puro son sólo viables con una tecnología apropiada. En la práctica, ya se ha probado la eficacia de las mangueras especiales para la alimentación de gases, inyectores y oxidadores. Portada: Planta de tratamiento de aguas residuales de BASF en Ludwigshafen (7 millones de EW) La elección del sistema depende de la aplicación y de las circunstancias locales. La geometría del tanque y la disponibilidad así como el coste de la energía eléctrica constituyen parámetros importantes.

3 Desnitrificación Nitrificación o 2 Input Sedimentación final o 2 Input Sedimentación preliminar Fango activo Fig. 2: Diagrama de la conversión de una planta de tratamiento de agua al proceso Biox -N Resolución de problemas en la práctica Cobertura de carga máxima por medio de la aireación parcial con oxígeno (APO) Los problemas de olor en plantas de tratamiento de aguas indican normalmente una falta de oxígeno. Como las fluctuaciones extremas a corto plazo en la demanda de oxígeno estaban causando problemas de olor, la planta de tratamiento de aguas de Emschermündung en Alemania ha operado con éxito durante más de 20 años con el suministro adicional de oxígeno puro, eliminando así la necesidad de mayores medidas. Otro ejemplo sería el de una planta de procesamiento de patatas que registró un incremento de la producción. A pesar de la ampliación de la planta depuradora para incluir un reactor discontinuo secuencial, no se pudieron conseguir los valores requeridos del agua residual. Adicionalmente, se suministró oxígeno puro a uno de los dos reactores. Se empleó oxígeno puro en la mitad de los aireadores, mientras que la otra mitad seguía operando con aire. Tras la conversión al modo de operación APO, se pudieron alcanzar los valores del agua residual por debajo de los límites en el reactor convertido. Para procesos discontinuos como cisternas por lotes o reactores discontinuos secuenciales, utilizados en la industria alimentaria, la alta demanda de oxígeno es característica de la introducción de lotes de agua residual fresca. En una instalación de tratamiento de aguas residuales procedentes de una planta procesadora de leche, a pesar de las dimensiones del sistema de aireado, las sobrecargas de hasta el 280% de los valores nominales normalmente conllevan una falta de oxígeno. El suministro de oxígeno se proporciona actualmente por una planta de oxígeno puro (GPO) cubriendo perfectamente las fases de máxima demanda de oxígeno. Mejor rendimiento para la nitrificación y desnitrificación Para eliminar el nitrógeno en la tercera etapa de depuración, según manda la legislación, Messer ha desarrollado el proceso Biox. El rendimiento biológico aumenta considerablemente por medio de la ayuda o el reemplazo de la aireación convencional por oxígeno puro, mientras que, al mismo tiempo, aumenta la biomasa presente en el sistema (Fig. 2). Así es posible separar un volumen suficiente para el tanque de desnitrificación. Una de las mayores plantas depuradoras del mundo utiliza oxígeno para la nitrificación, proporcionado por medio de placas de aireación de Messer. Sobresaturación de nitrógeno/ flotación: problema resuelto con oxígeno puro En tanques y balsas biológicas hondas, la aireación puede llevar a concentraciones tan altas de nitrógeno disuelto (no consumido por microorganismos como el oxígeno) que esporádicamente expulsa el gas en el tanque de sedimentación superficial. La flotación ocurre entonces en el tanque de sedimentación, lo cual empeora los valores en el agua residual. Con una profundidad de agua de 10 m en el tanque de aireación, se encuentran valores de sobresaturación del 150% en el tanque de sedimentación de una planta piloto de 3000 EW. Al suministrar de forma continua o intermitente oxígeno puro en vez de aire comprimido, la sobresaturación de nitrógeno se reduce y el tanque de sedimentación opera sin problemas. Depuración compacta en filtros aireados con oxígeno Los procesos de biofiltración se usan para la depuración o depuración posterior, si se desea que el agua residual esté libre de partículas y tenga valores bajos estables (por ejemplo de amoníaco). Un sistema económico y compacto es el filtro de arena continuo de dos fases en el cual la arena de cuarzo se usa como filtro y soporte para la biomasa.

4 Las plantas son apropiadas tanto para el uso permanente como temporal. Cuando se proporciona oxígeno puro en la primera etapa aeróbica, se asegura una óptima operación: Por tanto, aparte de la sedimentación, la fase biológica es considerablemente más compacta. La calidad del efluente de una biología de membrana está libre de sólidos y cumple con los estándares higiénicos de agua para el baño, por lo que las posibilidades de reutilización para el agua son positivas. Sin embargo, el rendimiento potencial de una biología de membrana sólo puede ser explotada si los sistemas de aireación con oxígeno puro complementan o sustituyen la aeración convencional. La mezcla de agua residual y fango activo en biologías de membrana es muy viscosa, lo que provoca que se complique la absorción de oxígeno desde el sistema de aireación de presión. Messer ha desarrollado un sistema de inyección de oxígeno para este fango activo altamente viscoso, con el cual se pueden conseguir mayores índices de entrada de oxígeno. En comparación directa, en una biología de membrana, este sistema consiguió una eficiencia disolvente 2,5 veces mayor con un consumo de energía 2,5 veces menor que con inyección de aire. En el caso de reactores operados bajo presión, el ahorro de energía es aún más drástico. En una planta de agua de filtración, se probó el sistema para proporcionar suministro de oxígeno complementario en caso de máxima demanda, y se consiguió mejorar la depuración en un 40%. Filtración libre de alteraciones gracias al reducido volumen de gas No se forman canales en el lecho de arena Se reduce la emanación de partículas de olor intenso No hay precipitaciones de cal no deseadas El total del contenido sólido que queda en las aguas residuales está por debajo de los 10 mg/l, lo que posibilita el reciclaje directo de las aguas residuales limpias en procesos de producción. Ejemplos de aplicación: En el contexto de remediación y desecación de tierras, los filtros continuos de arena con un tiempo de residencia corto (menos de 10 minutos) han conseguido índices de eliminación de más del 99% para HAM (hidrocarburo aromático monocíclico), y del 92% para HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos). Los valores del agua residual referentes a HAM y HAP fueron inferiores a 3 µg/l. En la industria de procesamiento de papel residual, se conectó un filtro de arena después de la fase de tratamiento anaeróbico. Para cargas de sulfuro de hasta 2,7 kg S/m3. d, el grado de degradación estaba por encima del 97% y el valor efluente de sulfuro por debajo de 1 mg/l. La tasa de eliminación para sólidos (TSS) fue del 80% a casi el 100% y resultaron unos valores efluentes de 20 mg/l. La reducción de COD en el filtro fue aproximadamente del 50%. Ventajas del oxígeno puro en plantas de tratamiento de aguas residuales industriales Mejor resultado de depuración Control de picos de carga y sobrecargas continuas Nitrificación segura Menor emisión de olor La entrada de oxígeno se realiza de manera silenciosa Mayor fiabilidad operacional Apropiado para uso de emergencia en caso de fallo del aireador No es más costoso ni lleva más tiempo Puede usarse como solución transitoria o temporal Menor coste de inversión comparado con las plantas de construcción convencional Biología de membrana. Seguridad en un espacio mínimo ideal con oxígeno La purificación de aguas residuales en biologías de membrana, en la cual una microfiltración a través de las membranas reemplaza la sedimentación convencional (Fig. 3), es particularmente segura y ahorra espacio. El contenido de sedimento activo es mayor (de factor 3 a 8) que en las plantas convencionales. Tecnología de membrana Incremento del contenido de sedimento Filtración Entrada Agua residual agua residual limpia Descarga del sedimento Entrada de oxígeno Fig. 3: Ahorro de espacio a través de la biología de membrana Sedimento activado

5 Fig. 4: Neutralización con CO2 del sitio en construcción en una estación de ferrocarril de Berlin, la antigua estación Lehrter. La neutralización y regulación del ph con CO2 elimina la salinización en la circulación del agua Se debe neutralizar el agua residual alcalina antes de que pase por la planta de depuración biológica, donde la neutralización con CO2 está aumentando en importancia: Fase I Fase II Fase III Ácido mineral CO2 Rango permitido 2OH-+CO2 CO32-+CO2+H2O CO32-+H2O 2HCO3 Consumo de CO2 La comparación de los valores de consumo estequiométrico entre el CO2 y los ácidos minerales con una utilización completa es particularmente favorable al CO2. Esta es la razón por la cual en comparaciones de coste también suele salir ganando el CO2. Los contenidos bajos en sal no sólo son importantes para las cargas de agua residual, sino también para el uso múltiple de casi todos los circuitos cerrados de agua. En el caso del CO2, se eliminan los problemas de corrosión provocados por la salinización con cloruros o sulfatos. La fig. 5 muestra la curva de neutralización de un ácido mineral en comparación con el ácido carbónico. La baja curva de neutralización del CO2 nos muestra que, en el momento en que se añade, incluso en el rango cercano al punto neutro, sólo tiene un ligero efecto en el valor del ph, y que prácticamente excluye la sobreacidificación (al contrario que los ácidos minerales). Fig. 5: Diagrama de curvas de neutralización para el uso de CO2 y ácidos minerales.

6 Fig. 6: Componentes de neutralización usados por Messer: Manguera de aireación (izq.), depósito construido por un cliente (centro), alimentación líquida (dcha.) Para la alimentación y disolución del CO2 en el agua, Messer usa una variedad de sistemas: reactores tubulares, sistemas a presión, mezcladores estáticos, eyectores o incluso placas de aireación. La técnica usada depende de la calidad del agua, por ejemplo de la dureza, y las circunstancias locales. Messer proporciona a cada cliente un proceso a medida con el mejor uso del CO2 y por tanto la solución más económica. Messer tiene experiencia en este tipo de tratamiento contando con más de 150 plantas de neutralización (Fig. 4 y 7). Fig. 7: Neutralización con CO2 de agua residual alcalina de la industria textil Ventajas de la neutralización y regulación del ph con CO2: No hay salinización por cloruros, sulfatos, etc. Respetuoso con el medio ambiente No hay cargas por incremento de contenido de sal Adecuado para reutilización en circuito cerrado Se elimina prácticamente la sobreacidificación No hay problemas de corrosión Bajo coste operativo Posible precipitación controlada de metales pesados o componentes de dureza La neutralización con CO2 ya se ha llevado a cabo en los siguientes sectores industriales: Industria de la bebida Centrales lecheras Industrias papeleras Procesos galvánicos Metalurgia Industria textil y peletera Industria química Industria del vidrio Plantas de energía Lavanderías Neutralización de aguas residuales de obras

7 Fig. 8: Planta de ozono para oxidación de flujo parcial de agua residual (Foto: Wedeco) Ozono: oxidación y desinfección sin salinización Si el agua residual contiene sustancias orgánicas resistentes a la biodegradación, o si la actividad biológica en el circuito del agua debe ser limitada, el tratamiento de ozono es el proceso más adecuado. Después del flúor, el ozono es el oxidante más potente. Sin embargo, reacciona para formar productos oxidantes y oxígeno, y no causa salinización del agua tratada. El ozono no se puede almacenar, por lo que se produce siempre desde el oxígeno en generadores de ozono on-site (Fig. 8). Para aplicaciones industriales, se pueden conseguir concentraciones de ozono del 10 al 14% por peso con un consumo de energía por debajo de 10 kwh/kg. Estas altas concentraciones, que sólo pueden conseguirse aplicando oxígeno puro, son beneficiosas porque los costes mecánicos y energéticos para la disolución del ozono en el agua son inferiores y las reacciones ocurren más rápidamente. El siguiente ejemplo de aplicación ilustra las ventajas del ozono. Ozono en combinación con fases de tratamiento biológico aeróbico Para poder atacar las sustancias resistentes a la degradación directamente con ozono, el tratamiento de ozono está conectado muchas veces tras una fase de limpieza biológica. En oxidaciones parciales, el ozono combate los componentes persistentes que han quedado en el agua, y de esta manera, se hacen accesibles para la purificación biológica. Una medida para la degradabilidad de los componentes del agua residual es el índice de DQO a DBO (demanda química de oxígeno a demanda biológica de oxígeno). Como más pequeño es este índice, mejor será la depuración biológica del agua. En las aguas residuales de una fábrica de celulosa, el índice DQO/DBO en la primera fase se redujo de 8 a 3, y a la vez, el índice DQO de limpieza subió del 45% a más del 80%. En la industria textil, la fase de ozono después de la planta de tratamiento se utiliza para eliminar el color del agua. En el sector farmacéutico, el ozono se usa para la desinfección y desactivación de organismos patogénicos.

8 Ozono para el tratamiento de aguas en circuitos cerrados Si por razones económicas o ecológicas se reutiliza el agua, la contaminación orgánica de la misma puede reducirse a través de procesos biológicos. Un buen biocida es el ozono, ya que no contribuye a la salinización e, incluso en dosis muy bajas, inhibe la actividad biológica. Ozono para el tratamiento de aguas de refrigeración Las ventajas del uso del ozono en circuitos de agua de refrigeración son tan convincentes que Messer ha decidido equipar todas sus plantas de producción con este sistema. Incluso en cantidades bajas de 0,1 g por m3 de agua en circulación, el ozono ofrece: Reducción drástica de microorganismos y algas Evita la descamación en todos los componentes del sistema Aumenta el tiempo de eficiencia y servicio de los intercambiadores de calor Ahorro en consumo de energía Reducción de los costes de mantenimiento Menor salinización en comparación con la tecnología convencional: ahorro en agua adicional El ozono es por tanto un complemento valioso para las técnicas de tratamiento existentes. Además, es interesante comentar que, como los gases exhaustos de las fases de ozono (cuando se usa oxígeno puro) se enriquecen en general con oxígeno, pueden ser reutilizados por ejemplo en fases de tratamiento aeróbico o para enriquecer los procesos de incineración. El ozono se usa para los siguientes procesos y con los correspondientes efectos: Industria química Sirve de agente oxidante en procesos químicos Manufactura de sustancias para la industria farmacéutica y cosmética Aguas residuales textiles Decoloración Evita el AOX en el agua Agua de refrigeración Limpieza microbiológica de sistemas de agua de refrigeración sin usar biocidas orgánicos o componentes de cloro Reducción de la corrosión Evita el AOX del agua Alimentación Desinfección de alimentos, almacenes, embalajes, máquinas de producción y agua de mar para el cultivo de mejillones. Resumen En empresas industriales, el tratamiento de las aguas residuales consiste muchas veces en una combinación de diferentes procesos biológicos, químicos y físicos. Con la tendencia a crear circuitos cerrados de agua, la técnica aquí descrita ha asumido un papel de importancia. Messer no sólo proporciona los gases para ello, sino que también ofrece paquetes completos de servicios, que van desde el asesoramiento hasta el diseño, equipos, instalación y puesta en marcha. Decoloración de celulosa El ozono sustituye al cloro en el proceso de decoloración Mayor grado de blancura Evita el AOX (compuestos orgánicos halogenados) en el agua residual Industria papelera, textil e imprentas Decoloración del papel y fibras textiles Sirve de ayuda para el recubrimiento del papel Adhesión mejorada en la manufactura de material de embalaje de bebida Messer Ibérica de Gases, S.A. Autovía Tarragona-Salou, km.3,8 E Vilaseca (Tarragona) Tel Fax info.es@messergroup.com