Tratamiento de efluentes en la industria lácteal Problemas y soluciones

Transcripción

1 Tratamiento de efluentes en la industria lácteal Problemas y soluciones Leonardo Erijman INGEBI CONICET INTI-Lacteos 2010

2 Tratamiento de efluentes en la industria lácteal Problemas y soluciones comprender los procesos Identificar los problemas Hacer diagnósticos Evaluar alternativas

3 Cómo funciona el tratamiento?

4 Los tratamiento biológicos se basan en la capacidad de autodepuración Aumenta DBO baja conc OD

5 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) La cantidad de oxígeno disuelto requerida por microorganismos para estabilizar la materia orgánica Ensayo estandarizado para medir el grado de contaminación

6 Demanda Química de Oxígeno (DQO) La materia orgánica se degrada químicamente utilizando un oxidante fuerte Otro ensayo estandarizado para medir el grado de contaminación

7 Que hay que eliminar de los efluentes? Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática la demanda de oxígeno

8 El problema está en la deficiencia de oxígeno

9 Lagunas facultativas De donde viene el oxígeno? oxígeno viento algas efluente crudo Sólidos sedimentables oxígeno CO 2, NH 3, P bacterias anaeróbico oxígeno El oxígeno es producido por algas fotosintéticas e introducido por aireación de la superficie El oxígeno es subsecuentemente utilizado por bacterias aeróbicas para estabilizar (oxidar) la materia orgánica

10 Lagunas aireadas De donde viene el oxígeno? El oxígeno se introduce con aireación mecánica

11 Lagunas aireadas Lagunas aireadas El oxígeno se introduce con aireadores Con una potencia de 1 kw/1000 m 3, los gases (O 2 ) y el material soluble (materia orgánica) se mezclan uniformemente los sólidos sedimentan

12 Lagunas aeróbicas El oxígeno se introduce con aireadores Con una potencia de 6-10 kw/1000 m 3 los sólidos (microorganismos) se mantienen en suspensión

13 Mezcla completa (aeróbicas) vs. mezcla parcial (facultativas) 6-10 kw/1000 m kw/1000 m 3

14 La materia orgánica la oxidan las bacterias Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l Tiempo de aireación del efluente = tiempo de crecimiento de microrganismos Tiempo de retención hidráulico (τ) = tiempo de retención celular (θ)

15 Barros activados: : el mismo principio, más compacto Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l 1. Mantener los sólidos (bacterias) en suspensión 2. Separar los sólidos (bacterias) del efluente tratado 3. Recircular los sólidos

16 Proceso de barros activados Cámara de aireación Sedimentador Digestor RAS Return Activated Sludge WAS Waste Activated Sludge Tiempo de retención hidráulico (τ) << tiempo de retención celular (θ)

17 Barros activados: Aireación Se oxida la materia orgánica

18 Barros activados: Sedimentación Se separa el agua tratada del floc microbiano Se recircula el floc microbiano a la cámara aireada

19 Microbiología de los barros activados sustratos nutrientes bacterias del floc bacterias ciliados y protozoos Comunidades microbianas en el floc de barros activados

20 Microbiología de los barros activados

21 Sistemas de lecho fijo

22 La oxidación es la única forma de eliminar la materia orgánica del efluente? Tratamiento físico-químico Tratamiento anaeróbico

23 Sistemas anaeróbicos Cómo se reduce la DBO? Polímeros (polisacáridos, lípidos, proteínas) hidrólisis por enzimas bacterianas Monómeros (azúcares, ácidos grasos, aminoácidos) fermentación fermentación acetato H 2 + CO 2 metanogénesis CH 4 + CO 2 CH 4

24 Sistemas anaeróbicos Quién produce metano?

25 Lagunas anaeróbicas Cañería de entrada Líquido crudo Materia orgánica Alto DBO Barro Sólidos P y N orgánico Gases dióxido de carbono metano amoníaco Corteza sólidos Líquido tratado menor DBO Cañería de salida post-tratamiento

26 Reactor anaeróbico (UASB) biogas efluente separador de 3 fases burbujas de gas barro granular manto de barro ingreso Lecho de barro anaeróbico ascendente

27 Reactores anaeróbicos UASB Contacto anaeróbico (AC) Lecho de barro granular expandido (EGSB) Filtro anaeróbico (AF) Reactor anaeróbico con baffles (ABR)

28 Nada se pierde; todo se transforma Antoine Lavoisier ( )

29 Transformaciones en los tratamientos CO 2 (40-50%) Biogas (CH 4 ) (70-90%) DQO (100%) DQO (100%) reactor aeróbico efluente (5-10%) reactor anaeróbico efluente (10-30%) barro (50-60%) barro (5-15%)

30 Tratamiento de efluentes en la industria lácteal Problemas y soluciones

31 Lagunas facultativas

32 Lagunas facultativas Nuevas células s DBO efluente Nuevas células

33 Lagunas facultativas 25 kg BOD/ha d Variaciones de ph y CO 2 durante el día

34 Lagunas facultativas Temperatura (algas marrones a T< 10 C) Carga orgánica Niveles de oxígeno disuelto Disponibilidad de nutrientes Presión depredadora (Cianobacterias)

35 Lagunas facultativas ácidos grasos volátiles Bacterias reductoras de sulfato (SRB) bacterias fermentadoras hidrógeno ` dióxido de ` carbono ácido sulfídrico sulfato ` Efluente de industria láctea Bacterias fototróficas de sulfuro (PSB) ciclo del S en la zona anóxica

36 Lagunas facultativas Sobrecarga I: bacterias de sulfuro verdes (GSB)

37 Lagunas facultativas Sobrecarga II: bacterias de sulfuro púrpura (fotosíntesis anoxigénica)

38 Lagunas facultativas 2 grupos de bacterias fotosintéticas Bacteria de sulfuro púrpura Chromatiaceae granos de sulfuro intracelular Bacteria de sulfuro verde Chlorobiaceae granos de sulfuro extracelular

39 Espumas en lagunas facultativas: pond scum Algas filamentosas Spirogyra, Mougeotia, Zygnema Cianobacterias Algas azul-verdes

40 Hierbas flotantes en lagunas facultativas: Lemna

41 Hierbas flotantes en lagunas facultativas: Lemna Ciudad de Devis Lake, North Dakota, EEUU

42 Mantenimiento de lagunas facultativas Mínimo, pero imprescindible Eliminación de sólidos de tratamiento preliminar (rejas, etc) Corte de pasto en taludes Eliminación de espumas y macrofitas de las superficie. Esto se hace para maximizar la luz incidente, aumentar la reaireación y prevenir cría de mosquitos Si hay cría de mosquitos sobre la espuma de lagunas anaeróbicas se debe romper y hundir con hidrolavadora Mantener la entrada y salida de las lagunas libres de bloqueo Reparar taludes dañados

43 Mantenimiento de lagunas facultativas

44 Lagunas facultativas p. 444: 2008

45 Tiempo de retención hidráulico El tiempo de retención hidráulico (teórico) es! = V Q V = volumen de la laguna (m 3 ) Q= caudal promedio (m 3 /d) Las lagunas no operan nunca a su τ teórico El caudal no es constante El barro acumulado disminuye el volumen de tratamiento (V) La eficiencia de las lagunas no es óptima Zonas muertas Corto circuitos

46 Corto-circuitos en lagunas Salida Entrada Peña Varón, M., Mara, D. (2004) IRC International Water and Sanitation Centre

47 Corto-circuitos en lagunas Salida Entrada Peña Varón, M., Mara, D. (2004) IRC International Water and Sanitation Centre

48 Corto-circuitos en lagunas Recuento de coliformes Corto-circuitos en lagunas disminuyen la eficiacia del tratamiento Banda CG, Sleigh PA, Mara DD. Water Sci Technol. 2005; 51 (12): 75-81

49 Optimas condiciones hidráulicas El líquido ingresante debe ser mezclado para evitar sobrecarga localizada, pero se debe evitar la creación de cortocircuitos en lagunas Salida lejos del paso del flujo de líquido (esquina)

50 Lagunas en serie o en paralelo? Entrada Salida Entrada Salida Velocidad de tratamiento = k![concentración de contaminante]

51 Flujo pistón vs mezcla completa

52 Flujo pistón vs mezcla completa Velocidad de tratamiento = k![concentración de contaminante] [C fp ] > [C mc ] [V fp ] > [V mc ]

53 Lagunas en serie o paralelo? Varias lagunas en serie son más eficientes que una gran laguna Lagunas largas y angostas o con bafles para crear sistema con relación largo/ancho grande Disipar la turbulencia de entrada para reducir la mezcla

54 Mayor costo Lagunas en serie Atención a la sobrecarga orgánica!!!

55 Solución a la deficiencia de oxígeno ígeno: cuanto oxígeno? 1.5 kg O 2 / kg DBO 60 m 3 * 2000 mg/l = 120 kg DBO/d 7 kg O 2 /h (5,5 kw o 7,4 HP)

56 Proceso de barros activados Cámara de aireación Sedimentador Digestor RAS Return Activated Sludge WAS Waste Activated Sludge Tiempo de retención hidráulico (τ) << tiempo de retención celular (θ)

57 Pros y contras de los barros activados Muy buena calidad de vertido Compacto Confiable Versátil Alto consumo de energía Requiere más O&M Generación de barro Altamente dependiente del proyecto (diseño y ejecución)

58 Conversión de lagunas en barros activados

59 Problemas más m frecuentes en el diseño de barros activados 1. Deficiencia de oxígeno 2. Problemas en el sedimentador 3. Problemas por manejo de barro excedente

60 Problemas provocados por la Deficiencia de oxígeno Malos olores Mala depuración Bacterias filamentosas falta de oxígeno (pérdida de sólidos)

61 Problemas provocados por la falta de oxígeno

62 Problemas provocados por un mal sedimentador Qué puede fallar? Fallas en la recirculación Flotación de barro Fuga de sólidos

63 Problemas en el diseño del sedimentador

64 Problemas en el diseño del sedimentador

65 Reactor en batch (SBR) 4. decantación 1. llenado 3. sedimentación 2a. reacción 2b. reacción

66 Sequencing batch reactor (SBR)

67 Problemas en el manejo de barro excedente 100 kg DBO kg barro

68 Problemas en el manejo de barro excedente

69 Problemas en el manejo de barro excedente La disposición de barro es parte del tratamiento!!

70 Las necesidades de aireación determinan el tipo de tratamiento Hay un alto gasto de energía para el tratamiento aeróbico

71 El problema del suero DQO suero: mg/l DBO suero: mg/l cf. DBO efluente: < mg/l

72 El problema del suero 60 m 3 * 2000 mg/l = 120 kg DBO/d 7 kg O 2 /h (5,5 kw o 7,4 HP) 3000 L suero (DBO= ppm) 3 m 3 * 40 kg/m 3 =120 kg DBO Duplica la carga Por lo tanto duplica las necesidades de oxígeno!

73 El problema del suero

74 Las necesidades de aireación determinan el tipo de tratamiento efluente NO DQO >> 4000 ppm SI Tratamiento convencional pre-tratamiento anaeróbico

75 Tratamiento anaeróbico

76 Lagunas anaeróbicas

77 Lagunas anaeróbicas. Influencia del ph

78 Lagunas anaeróbicas. Influencia de la temperatura Eficiencia (%) de reducción de DQO mes

79 Lagunas facultativas

80 El problema de la grasa Representa un alto porcentaje de la carga orgánica

81 Las necesidades de aireación determinan el tipo de tratamiento efluente NO DQO >> 4000 ppm NO SSEE >> 100 ppm SI SI tratamiento convencional pre-tratamiento anaeróbico Desengrasado

82 Lagunas desengrasadoras

83 Sistema de flotación por presurización del reciclo (DAF)

84 Sistema de flotación por presurización del reciclo (DAF) mezcla adsorción flotación

85 Sistema de flotación por presurización del reciclo (DAF) líquido crudo Mezcla rápida/ floculador tanque de presurización efluente coagulado bomba succión recircul recirculacion barredor deflector Diagrama de flujo reductor tolva grasas campana barredor puente efluente material flotado tanque de flotación barro sedimentado

86 Sistema de flotación por presurización del reciclo (DAF)

87 El pre-tratamiento químico aumenta la eficiencia Uso de coagulantes El propósito de la adición de coagulante es romper la emulsión agua-aceite y desestabilizar las suspensiones coloidales Sulfato de aluminio Policloruro de Aluminio (PAC) Cloruro férrico Polímeros catiónicos

88 Coagulación-floculación

89 Tareas de mantenimiento Productos químicos Compresor Tanque saturación Reductor de barredor Goma de barredor Disposición de grasas

90 Eliminación de grasa La disposición de las grasas es parte del tratamiento!!

91 Ecualización lleno Tangente superior caudal promedio Ecualización req. Vol: 1700 m 3 volumen acumulado Tangente inferior vacío

92 Ecualización Llegada crudo Llegada crudo

93 El problema del fósforo

94 Eliminación de fósforo Sal metálica Cloruro ferroso Cloruro férrico Sulfato ferroso Sulfato férrico Sulfato de aluminio Dosis (mg/l) Relación metal:p (kg/kg)

95 Eliminación de fósforo

96 Diseño de sistemas de tratamiento Proximidad de poblaciones Transporte de barro Consumo de productos químicos Objetivos de tratamiento Previsión de ampliaciones Factores de seguridad Caracterización efluentes (carga/caudal) Relevamiento del área, características del terreno Selección de tratamiento y configuración Costos de capital Costos de O&M Necesidades de personal Temas de H&S Requerimientos de oxígeno Requerimiento de nutrientes Determinación cinética y parámetros de proceso) Dimensionamiento (volumenes, tiempo de residencia, etc) Estimación de producción de barro/grasa Requerimientos de disposición