GESTIÓN Y DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS INDUSTRIALES LÍQUIDOS PARA UNA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

Transcripción

1 GESTIÓN Y DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS INDUSTRIALES LÍQUIDOS PARA UNA INDUSTRIA DE ALIMENTOS Lorna Guerrero Saldes (*) Universidad Técnica Federico Santa María Doctor en Ciencias Químicas, grado obtenido en abril de 1992 en la Universidad de Santiago de Compostela, España. Actualmente es Directora del Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales de la Universidad Técnica Federico Santa María, Institución en la que trabaja hace 17 años. Tiene numerosas publicaciones en revistas indexadas (10 publicaciones los últimos 5 años), en el tema de tratamiento de aguas y sólidos residuales industriales. Carlos Weidner N. Universidad Técnica Federico Santa María Mónica Suárez P. Universidad Técnica Federico Santa María Av. España 1680, Valparaíso, Chile - Casilla 110-V - Tel: Fax: lorna.guerrero@pqui.utfsm.cl. RESUMEN El objetivo del presente proyecto fue solucionar los problemas ambientales actuales de una fábrica alimenticia, la que cuenta en su interior con tres plantas de proceso, dos de papas y una de leche. Una de las plantas de papas produce puré de papas instantáneo (PPI) y la otra, papas prefritas congeladas (PPC). La planta láctea produce leche evaporada, leche en polvo y diferentes tipos de crema. En una primera etapa se realiza gestión ambiental en las tres plantas de proceso, con el fin de minimizar desde el origen los residuos líquidos generados. Esta gestión entrega una serie de mejoras con son una reducción del 22% del agua captada, lo cual corresponde a un ahorro en el consumo de [m 3 ] mensuales, que trae consigo una disminución del 30% de las aguas residuales generadas, dejándose así de verter en promedio 50 [m 3 /h] al cuerpo superficial receptor (río con tasa de dilución). Lo anterior logrará reducir el costo de bombeo y tratamiento de aguas residuales (US$ anuales). Posteriormente se realizan ensayos de tratabilidad primaria y secundaria. Los ensayos del tipo primario, cuyo objetivo es la eliminación de sólidos suspendidos, fueron: coagulaciónfloculación, sedimentación y flotación, en donde se lograron obtener remociones de sólidos suspendidos de 95, 84 y 76%, respectivamente. Las pruebas de tratamiento secundario, también denominadas de biodegradabilidad, se realizaron tanto para los procesos de digestión aerobia como anaerobia, resultando ser mejores para los ensayos anaerobios (90 a 96% de biodegradabilidad). Una pre-evaluación técnica y económica permite definir dos alternativas de tratamiento a analizar: 1) Reactor de Contacto; 2) Sistema DAF - Reactor UASB. Al ser evaluadas técnica y económicamente estas 2 alternativas a un período de vida del proyecto de 10 años, se obtienen para la alternativa 1, un VAN de US$ , y para la alternativa 2, un VAN de US$ Estos datos demuestran que la opción más ventajosa resulta ser la 2. Dentro los valores actuales netos (VAN), la variable más significativa es el gasto de combustible para calefacción de los reactores biológicos, el cual representa entre un 63% y 71% de los costos operacionales totales de la alternativa 2 y 1 respectivamente, lo que implica que este proyecto ambiental es sensible al precio del petróleo. Los beneficios de llevar a cabo este proyecto son principalmente evitar ser multado por parte de las entidades reguladoras y lograr a la vez una imagen corporativa acorde con el medioambiente, ante la mirada del gobierno y la comunidad. Palabras Clave: Diseño de plantas de tratamiento; Gestión de residuos líquidos; Tratamiento de residuos líquidos industriales; Tratamiento de residuos de industria de alimentos 1

2 INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se entrega una alternativa de solución integral y sustentable para una industria alimenticia, Dicha industria cuenta en su interior con tres plantas de proceso, dos de papas y una de leche. Una de las plantas de papas produce puré de papas instantáneo (PPI) y la otra, papas prefritas congeladas (PPC). La planta láctea produce leches evaporada y en polvo y diferentes tipo de crema (con sabor, normal y dietética). Se realiza como primera etapa una gestión ambiental de las tres plantas de proceso, con el fin de minimizar desde el origen los residuos líquidos generados, para lo cual se determina el consumo de agua por tipo y sector, además de la cantidad recuperable y reutilizable de éstas. Luego se realizan diferentes ensayos de laboratorio y piloto, con el fin de lograr encontrar el sistema de tratamiento más adecuado para este tipo de agua residual. Dentro de estos ensayos se realizan pruebas de tratabilidad primaria y secundaria. En una tercera etapa se efectúa una pre-evaluación técnica y económica que permite definir las alternativas de tratamiento. Los beneficios de llevar a cabo este proyecto son principalmente evitar ser multado por parte de las entidades reguladoras y lograr a la vez una imagen corporativa acorde con el medioambiente, ante la mirada del gobierno y la comunidad. METODOLOGÍA EMPLEADA Las etapas desarrolladas en este trabajo son: i) Gestión de efluentes; ii) Estudio de tratabilidad, iii) Diseño a nivel de Ingeniería Básica de la planta de tratamiento y vi) Pre-evaluación económica. Para la gestión de efluentes, se realizaron los balances de materiales y energía, determinando los puntos de mayor contaminación y su correspondiente caracterización, para cada una de las 3 plantas existentes. En los ensayos de tratabilidad, se estudiaron tratamientos físico-químicos (coagulación-floculación, flotación, sedimentación y filtración) y tratamiento biológicos (aerobio y anaerobio). Estos últimos se realizaron sobre el agua residual con tratamiento físico-químico previo y sin él. El diseño de planta, a nivel de ingeniería básica y su pre-evaluación económica se hizo en base a los resultados obtenidos en los estudios de tratabilidad. RESULTADOS Y ANÁLISIS Gestión de Efluentes Se logró determinar tanto la distribución del consumo de agua total como la generación de residuos líquidos de cada planta. El consumo total de agua captada varía entre 4000 y m 3 /d, siendo el mayor consumidor de agua la planta de lácteos con un 46,5%, seguido de la planta PPC con un 30,7%; el restante porcentaje corresponde a la planta PPI. En cuanto a la generación de aguas residuales industriales (en promedio 285 m 3 /h), la planta con mayor volumen de aguas contaminadas resulta ser la láctea (56,2%), seguida por la planta PPI (27,0%) y la planta PPC (16,8%). Los contaminantes de importancia por planta son los siguientes: - planta lácteos: carga orgánica, aceites y grasas. - planta PPI: sólidos suspendidos. - planta PPC: sólidos suspendidos, aceites y grasas. Las siguientes son algunas de las medidas adoptadas para la disminución del consumo de agua y producción de aguas residuales: 2

3 - Instalación de estanques pulmón para almacenamiento de aguas recuperables (condensados, aguas de refrigeración, etc.). El diseño de estos estanques depende del uso que se le dará al agua recuperada (lavado, transporte, recuperación de calor, etc.). - Implementación de línea auxiliar de retorno de condensados para alimentación de las calderas. Los resultados obtenidos en esta etapa determinaron que gran cantidad del agua tanto industrial como potable puede ser reutilizada lo cual trae consigo una disminución del agua captada desde la fuente (lago Llanquihue, Chile), de alrededor de 22% del total, lo que conlleva a una menor generación de residuos industriales líquidos, de alrededor de un 30% del total producido por la fábrica, y una disminución del consumo de agua industrial para calderas, debido a la recuperación de los diferentes condensados producidos por la fábrica. La disminución del consumo total de agua potable en cada planta alimenticia, debido a la recuperación y reutilización de diversas corrientes líquidas de éstas, resulta ser de 29,3 % para la planta lácteos, 19,4 % para la planta PPI y 15,3 % para la planta PPC. Una vez finalizada la gestión ambiental se logró determinar que es posible ahorrar anualmente US$ , por menor gasto de energía en bombeo, menor consumo de agua y menor volumen de aguas residuales a tratar. Ensayos de Tratabilidad: Se llevaron a cabo diferentes ensayos de tratabilidad para determinar las operaciones unitarias adecuadas y su capacidad de eliminación de los contaminantes presentes en los residuos líquidos. Considerando las características de las aguas residuales a tratar (ver tabla 1), los tratamientos estudiados fueron: Tratamientos primarios: - Coagulación - Flotación - Sedimentación Tratamientos secundarios: - Biodegradabilidad aerobia (sin y con pretratamiento) - Biodegradabilidad anaerobia (sin y con pretratamiento) Tabla 1 Características de los residuos líquidos sometidos a ensayos de tratabilidad Contaminante Concentración [mg/l] DQO total 2033 DQO soluble 992 Sólidos Suspendidos Totales (SST) 462 Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) 348 N total 31,2 P total 9,6 Aceites y Grasas (A y G) 63,4 ph* 6.6 * El valor de ph es adimensional i) Coagulación Para este estudio se aplicó la metodología propuesta por Eckenfelder (1989), utilizando el test de jarras. Los coagulantes estudiados fueron: sulfato de aluminio, cal, cloruro férrico, sulfato férrico y sulfato ferroso. 3

4 La remoción de sólidos suspendidos totales (SST) fue relativamente similar para todos los coagulantes estudiados. Para la cal, se obtuvo los mejores resultados, con concentraciones finales de SST en el agua tratada entre 15 y 20 [mg/l], lo que significa una reducción entre un 95,7 y 96,8%. Los demás compuestos químicos utilizados arrojaron una reducción de SST del 96,1% para la Al 2 (SO 4 ) 3 *14H 2 O, un 95,7% para el FeCl 3 *6H 2 O, un 96,5% para el Fe 2 (SO 4 ) 3 * 3H 2 O y un 95,9% para el FeSO 4 *7H 2 O. En cuanto a la DQO total final los mejores resultados fueron para la cal y el cloruro férrico, arrojando una disminución de un 63 y 58% respectivamente. Analizando en forma conjunta el rendimiento de remoción de SST, la dosificación óptima y los costos del coagulante se determina que el compuesto más adecuado resulta ser el cloruro férrico. La dosis óptima de este compuesto para el efluente líquido estudiado resultó ser de 75 mg/l (ph = 4.5). Una vez realizado el tratamiento de coagulación-floculación se somete el agua residual a ensayos de flotación y sedimentación, para lograr determinar cual de estos dos procesos es el adecuado para retirar posteriormente los sólidos coagulados. ii) Flotación y Sedimentación Con el sistema propuesto por Talmadge y Fitch (1955), se determinó el tamaño del sedimentador necesario para separar los sólidos coagulados. La sección del sedimentador resultó ser mayor a 270 [m 2 ], por lo que se desechó esta alternativa. Con la flotación (realizada a presión atmosférica), se logró una reducción del 76% de los SST, 62% de los aceites y grasas (A y G) y 53% de la DQO total, para un tiempo de residencia de 67 minutos. A nivel industrial, es posible obtener reducciones mayores, ya que se trabaja con flotación con aire disuelto o a vacío. Remociones de SST y A y G superiores al 85 y 90% respectivamente, son comunes en sistema de flotación industrial. Por todo lo anterior, este es el método escogido para la separación de SST. iii) Tratamiento aerobio Las pruebas de biodegradabilidad aerobia se realizaron a las aguas residuales crudas (ver tabla 1), es decir sin pretratamiento de coagulación-flotación, y también a las aguas tratadas previamente (ver tabla 2), ajustándoles a estas últimas el valor de ph (alrededor de 7). Tabla 2 Características de los residuos líquidos tratados mediante coagulación con cloruro férrico Contaminante Concentración [mg/l] DQO total 961 DQO soluble 825 Sólidos Suspendidos Totales (SST) 113 Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) 391 N total 21,9 P total 6,6 Aceites y Grasas (A y G) 24,1 ph* 4,8 * El valor de ph es adimensional La metodología aplicada (Oelker, 1998), permitió concluir que las muestras tratadas previamente por coagulación, alcanzan una mayor biodegradabilidad aerobia media (93,5%) contra un 91% de las aguas sin tratar, determinándose la necesidad de agregar nitrógeno y fósforo para lograr estos porcentajes. 4

5 iv) Tratamiento anaerobio Al igual que en el punto anterior, las pruebas de biodegradabilidad anaerobia se realizaron a las aguas residuales crudas (ver tabla 1), es decir sin pretratamiento de coagulación-flotación, y también a las aguas tratadas previamente (ver tabla 2), ajustándoles a estas últimas el valor de ph (alrededor de 7). La metodología aplicada (Guerrero, 1992), permitió concluir que las muestras tratadas previamente alcanzan una mayor biodegradabilidad anaerobia media, 94,3% frente a un 91,9% de las sin tratar. Considerando que el proceso de depuración anaerobio tiene costos de operación menores que los procesos aerobios (principalmente por la aireación), es el proceso escogido para la eliminación de materia orgánica. Además, se mitiga en parte los costos operacionales de una planta de tratamiento debido a la producción de biogás, el cual es utilizable como fuente de energía, pudiendo por ejemplo ser ocupado para la calefacción del reactor anaerobio requerido para la depuración de las aguas residuales. DISEÑO Y PRE-EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO Por los resultados obtenidos en el punto anterior, se determinó que la planta de tratamiento debía contar con un tratamiento anaerobio, como sistema medular, sin o con tratamiento previo de coagulación-flotación. Por lo tanto, para el primer caso (sin tratamiento previo) la alternativa fue: 1) Reactor de contacto anaerobio (incluye desgasificador y sedimentador secundario), ya que es la tecnología utilizada cuando se tienen porcentajes elevados de SST, y para el segundo caso, la alternativa a evaluar fue: 2) Tratamiento con un sistema de flotación tipo DAF seguido de un reactor UASB (sistema anaerobio de amplia utilización industrial para aguas con bajo contenido en SST). En la figura 1 se indican en forma esquemática las alternativas propuestas. Los parámetros contaminantes de diseño tienen un valor 10% superior por posibles aumentos de éstos (ver tabla 3). ALTERNATIVA 1 Digestor Contacto Anaerobio Desbaste Ecualización ALTERNATIVA 2 Coagulación - Flotación (DAF) Reactor UASB Figura 1 Alternativas de diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales para la industria de alimentos estudiada. 5

6 Tabla 3 Características de los residuos líquidos tratados mediante coagulación con cloruro férrico Parámetro Unidad Expresión Valor Caudal m 3 /h Q 172 Materia orgánica mg/l DBO Sólidos suspendidos totales mg/l SST 750 Aceites y grasas mg/l A y G 50 ph* ph 5 11 Temperatura C T i) Alternativa 1 Los equipos seleccionados para esta alternativa se indican a continuación, en orden de tratamiento (entre paréntesis se da la cantidad de equipos necesarios). Las especificaciones técnicas y de diseño de cada uno de ellos aparecen en Weidner (2001). - Rejas de retención de sólidos (1) - Piscina de ecualización (2) - Intercambiador de calor (2) - Reactor de contacto anaerobio (2) - Desgasificador (1) - Sedimentador secundario (1) - Estanque pulmón de lodos biológicos (1) - Filtro prensa (1) - Estanque pulmón de filtrados (1) - Calderín de biogás (1) Además se cuenta con equipos menores como aireadores, agitadores, bombas (centrífugas y de desplazamiento positivo), compresores, estanques para productos químicos, ventiladores y otros. ii) Alternativa 2 Los equipos seleccionados para esta alternativa se indican a continuación, en orden de tratamiento. Sólo en el caso de la piscina de ecualización se necesitan 2 equipos. Las especificaciones técnicas y de diseño de cada uno de ellos aparecen en Weidner (2001). - Rejas de retención de sólidos - Piscina de ecualización - Sistema de flotación DAF, con coagulación - Desgrasador - Estanque pulmón de lodos - Filtro prensa - Estanque pulmón de filtrados - Intercambiador de calor - Reactor UASB - Estanque pulmón de lodos biológicos - Calderín de biogás Al igual que en el caso anterior, se cuenta con equipos menores como aireadote, agitadores, bombas (centrífugas y de desplazamiento positivo), compresores, estanques para productos químicos, ventiladores y otros. 6

7 Posteriormente con el diseño de cada planta de tratamiento, en donde se entregan las especificaciones requeridas para cada uno de los equipos (Weidner, 2001), se realiza la evaluación económica de cada alternativa. Esta evaluación determina que la alternativa 1 presenta menores costos de compra de equipo, cercano a un 8% (US$ 47000) y que el costo operacional más importante en ambas plantas (63 71% del costo total de operación) se debe a la compra del Fuel Oil N 6, para la calefacción de los reactores biológicos. La alternativa 2 presenta los menores costos de compra (menor volumen requerido) de este combustible, con una diferencia de un 17%, aproximadamente US$ mensuales menos que la alternativa 1. El mayor costo de equipos corresponde a los reactores de contacto y al sistema DAF, para las opciones 1 y 2 respectivamente, alcanzando un 35% del costo total de equipos de cada planta de tratamiento. En ambos casos los flujos de efectivo anual, durante el período evaluado de 10 años, fueron negativos al final de cada proyecto, por lo cual los demás indicadores económicos como son el TIR (tasa interna de retorno), PRI (período de recuperación de la inversión) e IVAN (relación valor actual neto sobre la inversión), no fueron evaluados. El valor actual neto o VAN para la alternativa 2 resultó ser aproximadamente medio millón de dólares menor que la alternativa 1, es así como la alternativa 1 arrojó un VAN de - 4,42 millones de dólares, frente a - 3,93 millones de dólares para la alternativa 2. Las variables que afectaban con mayor peso al proyecto de la planta de tratamiento de los residuos industriales líquidos se obtuvieron mediante el análisis de sensibilidad con el simulador de RISK DECISION TOOLS (1997), y fueron: la inversión de los equipos; la tasa de descuento y los costos operacionales. CONCLUSIONES La planta de tratamiento, en base a todos los puntos estudiados, constará de un tratamiento primario del tipo coagulación, con cloruro férrico, seguido de una flotación, y un tratamiento secundario del tipo anaerobio. Gestión ambiental El mayor consumidor de agua es la planta lácteos con un 46,5%, seguido de la planta PPC con un 30,7%, el restante porcentaje corresponde a la planta PPI. En cuanto a la generación de aguas residuales industriales la planta más contaminante resulta ser la láctea (56,2%), seguida por la planta PPI (27,0%) y la planta PPC (16,8%). Los contaminantes de importancia por planta son los siguientes: planta lácteos: carga orgánica (leche o crema vertida a alcantarillado) y aceites y grasas; planta PPI: residuos sólidos; y la planta PPC, con SST y aceites y grasas. Estudio de tratabilidad El estudio determinó que las operaciones unitarias necesarias en la planta de tratamiento son la coagulación con cloruro férrico para remover los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales y que la mejor opción para retirar estos sólidos es la flotación. A continuación se debe llevar a cabo un tratamiento biológico del tipo anaerobio para lograr cumplir satisfactoriamente la norma ambiental vigente. Diseño de la planta tratamiento Las dos alternativas diseñadas fueron seleccionadas en base a los contaminantes (concentración o rango) de las aguas residuales estudiadas y a la tecnología actual existente. La alternativa 1 corresponde a un reactor de contacto anaerobio y la alternativa 2 tiene como equipos medulares un sistema de flotación del tipo DAF y un reactor UASB. 7

8 Pre-evaluación económica La planta propuesta para la industria de alimentos estudiada, es la alternativa 1, por todo lo expuesto en el punto anterior. Debe mencionarse que para la alternativa 2, los costos debido al consumo de reactivos químicos en el proceso de coagulación del sistema DAF, alcanzan un 18% del costo operacional total, alrededor de US$ mensuales, no así en el caso 1, en donde llegan a ser despreciables, ya que su uso se debe sólo al gasto para el acondicionamiento de los lodos y los gastos en análisis de laboratorio. Otra variable influyente, pero en menor grado que las anteriores, es el consumo de energía eléctrica, resultando de un 4 a un 8% del costo operacional total. Como este proyecto es de carácter ambiental y teniendo en cuenta los beneficios ecológicos que consigo trae a la región, resulta propicio incorporar socios como empresas que hacen uso de las aguas tratadas corriente arriba, de modo de agilizar el desembolso de las inversiones asociadas y amortizar las obligaciones que se pudieran contraer con instituciones financieras. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Eckenfelder, W. (1989) Industrial Water Pollution Control; 2 nd Edition, McGraw-Hill, EE.UU. Guerrero, L. (1992) Tratamiento integral de aguas residuales de la fabricación de harina de pescado; Tesis para optar al grado de Doctor, Universidad de Santiago de Compostela, España. Oelker, M. (1998) Desarrollo de sistemas de tratabilidad de aguas residuales Aplicación a la industria química; Memoria para optar al Título de Ingeniero Químico de la Universidad Técnica Federico Santa María, Chile. Talmadge, W. y Fitch, E. (1955) Determining thickener unit areas; Chemical Engineering, Vol 44: 12. Weidner, C. (2001) Gestión y diseño de una planta de tratamiento de residuos industrials líquidos para una industria de alimentos; Memoria para optar al Título de Ingeniero Químico de la Universidad Técnica Federico Santa María, Chile. 8