TRATAMIENTO DE RESIDUOS LÍQUIDOS DE UNA FÁBRICA DE GALLETAS Lorna Guerrero Saldes*, Daniel Alkalay Lowitt Universidad Técnica Federico Santa María, Casilla 110 - V, Valparaíso, Chile La industria de galletas produce vertidos líquidos con una cantidad considerable de grasas, sólidos en suspensión y materia orgánica, lo que genera un problema en el sistema de disposición final de éstos. Por esto, se realizó un estudio para determinar la factibilidad técnico-económica de tratar estos vertidos que deben cumplir con la normativa vigente. Se realizó una gestión de efluentes que permitió visualizar la posibilidad de tratamiento conjunto de los efluentes de la planta de galletas y el producido en una planta de manjar anexa. Se procedió al estudio de tratabilidad y evaluación de cuatro alternativas de tratamiento para estos efluentes en base a costos de inversión, de operación y eficiencia, consiguiéndose los mejores resultados para el efluente de la planta de gallletas con flotación (sin floculante), seguida por una filtración en arena y finalmente por un proceso biológico anaerobio. En tanto, para el efluente de la planta de manjar será filtración en arena y luego neutralización con ácido. Con estos tratamientos se logra reducir más del 80% de la materia orgánica, medida como DQO y 70% de las grasas presentes. La inversión estimada es de U$167.500 y los costos operacionales estimados son de U$450 mensuales (sin considerar mano de obra). Palabras clave: Tratamiento residuos líquidos industriales, flotación, biodegradabilidad anaerobia, industria de galletas. INTRODUCCIÓN En consideración a la creciente preocupación por la problemática relacionada con la contaminación del medio ambiente, lo que se refleja en una marcada conciencia ambiental de la población, el sector industrial ha debido tomar diversas iniciativas para disponer de un diagnóstico e implementar medidas tendientes a la reducción del efecto contaminante de su proceso de producción. En este contexto, se realizó un estudio de diagnóstico y una posterior evaluación de las alternativas de tratamiento de los efluentes que se generan en una fábrica de galletas y una planta de manjar anexa a ésta. El estudio se orientó a conseguir una serie de objetivos: en primer lugar una gestión de efluentes (para una minimización en el uso del agua y mejor aprovechamiento de ésta), por medio de una cuantificación y caracterización. Posteriormente, se realizaron ensayos de tratabilidad con el fin de determinar el tratamiento adecuado para estos efluentes. La tratabilidad se orientó a ensayos que permitiesen la disminución de los principales agentes contaminantes detectados en la caracterización: flotación (eliminación de grasas), filtración y sedimentación (eliminación de sólidos suspendidos) y biodegradabilidad anaerobia (reducción de materia orgánica). Una vez obtenidos los resultados, se evaluaron las distintas alternativas y se diseñó la planta de tratamiento de las aguas residuales de la industria. Para introducirse en el tema, es importante una visión general del proceso de la industria de galletas. Se inicia en un estanque de acero inoxidable donde se mezclan los ingredientes (harina, leche, agua, huevos, manjar, chocolate, etc). Luego de conseguir una mezcla homogénea, se hace pasar por moldes que le dan la forma, siendo conducidas por medio de correas hasta los hornos de cocción. Finalmente, las galletas son transportadas a la sección de empaque. Como se puede observar, la fabricación de galletas es, en general, un proceso donde se utiliza poca agua (del orden de 3 m 3 /día, en promedio).
En la planta de producción de manjar anexa que tiene la fábrica de galletas, el proceso se inicia con la llegada de la leche a los estanques almacenadores para luego pasar a un estanque de agitación, donde se homogeniza la leche para la posterior incorporación de los aditivos (saborizantes, preservantes, etc). La mezcla pasa luego a un estanque de reposo. Luego, se bombea a las ollas de cocimiento de la leche (que es donde se produce la transformación a manjar) y finalmente se lleva a un estanque agitado, para el enfriamiento del manjar. Este proceso se realiza en forma batch cuatro veces al día. En base a los procesos, se aprecia que los principales focos de generación de residuos industriales líquidos son los puntos de vertido de las aguas de lavado de los equipos involucrados en cada uno de ellos. PROCEDIMIENTO Caracterización Como primer paso, se procedió a la medición de caudales y los parámetros indicadores de materia orgánica contaminante de la fábrica de galletas (como DQO, Sólidos Suspendidos, Grasas, etc). Los efluentes de la industria de galletas en estudio, se componen básicamente de aguas de lavado de instrumentos, máquinas y bandejas de plástico donde se depositan materiales de los distintos productos. Debido a que todas las aguas de lavado llegan a un mismo punto de vertido, el análisis se realizó en ese punto común. Las características del agua de lavado cambian en el transcurso del día: durante la mañana se lavan bandejas que contienen restos de huevos, masas y manjar, obteniéndose un residuo líquido que tiene una gran carga orgánica. Durante la tarde y la noche se lavan algunos equipos y se vierte el agua de lavado de pisos, obteniéndose condiciones de contaminación menos significativas, aunque un mayor caudal. En la planta de manjar se produce una gran variedad de residuos líquidos, debido a los distintos tipos de lavado que se realizan: lavado básico, que consiste en un lavado de los estanques con agua que se recircula, se elimina y luego se procede a un lavado con manguera, lavado profundo que se realiza con una solución de hidróxido de sodio y enjuague con sanitizante en donde se agrega sanitizante y se hace pasar por todos los equipos, ya sea en serie o en paralelo. La caracterización realizada al efluente de la industria de galletas y al generado por el lavado básico en la planta de manjar, mostraron una gran similitud en sus características por lo que se estudiaron en forma conjunta, denominándose como mezcla M+G (mezcla Manjar + Galletas). Además, la mezcla de los efluentes de los otros lavados de la planta de manjar se unieron denominándose mezcla MOL (Mezcla Otros Lavados). Los resultados de esta caracterización, se presentan en la Tabla 1. Tabla 1.: Características promedio de los efluentes generados en la industria de galletas. Mezcla M+G (de alta carga contaminante) Mezcla MOL (de baja carga contaminante) Caudal (máximo) 25 m 3 /día 3,5 m 3 /día DQO 28000 mg/l 1800 mg/l Sólidos suspendidos 6500 mg/l 900 mg/l Grasas y aceites 1400 mg/l --- ph --- 13
Ensayos de Tratabilidad Estos ensayos incluyen los tipos de tratamiento adecuados para los residuos líquidos industriales en estudio: Tratamiento físico o físico químico primario, con el fin de eliminar sólidos en suspensión y otros elementos contaminantes como las grasas; Tratamiento biológico o secundario, para la eliminación de materia orgánica. Las características de las aguas residuales (elevado contenido de sólidos suspendidos y alta carga orgánica, medida como DQO), indican que las operaciones unitarias a estudiar son: - Para eliminación de sólidos suspendidos: coagulación-floculación y filtración (no se considera sedimentación, porque la fábrica de galletas carece de espacio suficiente para la instalación de un tanque sedimentador) - Para eliminación de materia orgánica: tratamiento biológico anaerobio. Coagulación-Floculación Para este proceso se requiere determinar el tipo de coagulante a usar (dependiendo de la naturaleza del residuo líquido a tratar), la dosis óptima de éste y el ph al cual se logra la máxima reducción de sólidos. Se contó con los siguientes coagulantes: FeCl 3, Fe 2 (SO 4 ) 3, Al 2 (SO 4 ) 3 y los floculantes: poliacrilato sódico fino (PAF) y Floc-50 (marca SHELL). Para este ensayo se utilizó el sistema de Test de jarras o jar test. Como primer paso en el ensayo, se estimó cualitativamente cuál de los productos entregaba el mejor resultado. Con los productos que dieron los mejores resultados, se pasó a la fase de determinación de ph óptimo al cual se logra la mayor eliminación de sólidos del agua residual. En este punto se determinó en forma cuantitativa cuál de los coagulantes y/o floculantes era el más adecuado técnica y económicamente. Finalmente, conocido el producto y el ph al cual trabaja, se determinó la dosis óptima por medio del análisis de sólidos suspendidos, DQO total y DQO soluble. Flotación Los efluentes que poseen una alta cantidad de grasas (como la mezcla M+G) no pueden ser tratados directamente por un tratamiento biológico, por lo que se requiere de un proceso como la flotación para la eliminación de éstas. Este proceso se realizó en el equipo mostrado en la Fig. 1, el cual tiene una altura mayor a su diámetro equivalente (H/De = 1,5 veces). Los ensayos se realizaron en forma batch. Biodegradabilidad Anaerobia Este ensayo permite determinar la máxima degradación de la DQO que es posible conseguir a través de un proceso anaerobio, a 37ºC. La magnitud de la biodegradabilidad puede descartar o aconsejar desde un principio la viabilidad del proceso, que se veía interesante de aplicar pues la industria de galletas utiliza biogás como combustible de los hornos. El equipo batch fue utilizado con reactores de 0,25 L de volumen activo (ver Fig. 2). El biogás producido fluye desde el digestor hacia un frasco que contiene solución alcalina (NaOH 2,5%), pasando antes por un tubo anti-retorno. El CO 2 se absorbe en la solución alcalina, por lo que el volumen desplazado corresponde a la producción de metano. Los ensayos se realizaron en dos reactores para cada una de las muestras en estudio, uno denominado tratamiento, que contiene agua residual y los microorganismos, y otro llamado blanco, en el que sólo se adicionan los microorganismos. La biodegradabilidad anaerobia de un residuo industrial líquido depende del tiempo de ensayo, por lo que éste debe ser indicado junto con el dato de la fracción de DQO biodegradable.
15 cm Rebalse 3 5 85 cm 10 cm 10 cm 10 cm 2 4 11 cm 40 cm Toma muestras 1 6 5 cm Alimentación Aire Fig. 1: Columna de flotación 1. Medio de cultivo 2. Toma de muestra 3. Salida del biogás 4. Depósito antirretorno 5. Frasco Mariotte 6. Probeta medición volumen Fig. 2: Sistema de biodegradabilidad. RESULTADOS Ensayos de tratabilidad Coagulación - Floculación: Como primer pasó se seleccionó el mejor coagulante en forma cualitativa, pasando luego a trabajar con ellos en la determinación de las óptimas condiciones de trabajo. Se trabajó con el floculante orgánico PAF para la mezcla M+G (excelente sedimentación y buena clarificación), con una concentración de 140 mg/l. Los resultados obtenidos para estos ensayos se muestran en la Tabla 1. Como se puede observar en esta tabla, a ph alrededor de 4 se logra reducir un 95% de los sólidos suspendidos; valor que desciende levemente ( 92%) a ph= 5.5, por lo que habría que tomar una decisión económica respecto al ph al que conviene trabajar. En el caso de la mezcla MOL, los mejores resultados se consiguieron con los dos compuestos ferrosos (a las mismas concentraciones: 150 mg/l de agua a tratar), optando por la utilización del cloruro férrico pues su costo es menor al del sulfato férrico: US$ 142/Kg para el Fe 2 (SO 4 ) 3 en relación a US$ 110/Kg del FeCl 3. Los resultados se muestran en la Tabla 2. Se puede apreciar en ella que este tratamiento no es apropiado para la mezcla MOL, pues se logra sólo un 43% de reducción de sólidos suspendidos, a un ph elevado (12.5). Tabla 1: Resultados obtenidos en la industria de galletas, M+G. Dosis: 140 mg/l de agua a tratar Floculante: Poliacrilato sódico (PAF) ph Sólidos Suspendidos DQO 3.7 95,0% 33.4% 5.5 91.7% 38.9% 7.6 88.6% 27.8% 9.8 87.9% 42.6% 11.8 84.1% 27.8%
Tabla 2: Resultados obtenidos en la planta de manjar, MOL. Dosis: 150 mg/l de agua a tratar Coagulante: Cloruro Férrico (FeCl 3 ) ph Sólidos Suspendidos DQO 3.1 34.7% 28.1% 4.2 26.6% 38.5% 5.3 34.7% 46.4% 10.0 2.00% 48.4% 12.6 43.0% 50.4% Flotación: Se realizaron pruebas de tratabilidad mediante un proceso de flotación para la mezcla M+G, con el fin de eliminar la presencia de las grasas antes de ingresar a un proceso de digestión anaerobia. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 3. Se puede apreciar en ella, que las dos muestras estudiadas son diferentes en cuanto a su contenido de grasas (1100 mg/l y 620 mg/l) lográndose una mayor reducción ( 80%) en la de menor contenido en grasas. De todas formas, los resultados obtenidos confirman la factibilidad técnica de aplicar la flotación. Tabla 3: Resultados pruebas de flotación, mezcla M+G. MUESTRA 1 MUESTRA 2 Tiempo DQO Grasas DQO Grasas min mg/l mg/l DQO Grasas mg/l mg/l DQO Grasas 0 18700 1100 -- -- 5230 620 -- -- 45 8950 680 38% 52% 1800 160 66% 74% 105 6150 440 60% 67% 1720 130 67% 79% 180 -- -- -- -- 1630 110 69% 82% Biodegradabilidad: Los ensayos de biodegradabilidad, tanto para la mezcla M+G como para la mezcla MOL, se realizaron con y sin tratamientos previos: a) Biodegradabilidad mezcla M+G, con filtración previa (Fig. 3). b) Biodegradabilidad mezcla M+G, con y sin flotación previa (Fig. 4). c) Biodegradabilidad mezcla M+G, con y sin flotación y filtración previas (Fig. 5). d) Biodegradabilidad mezcla MOL, con y sin filtración previa (Fig. 6) Generalmente, la biodegradabilidad determinada en el séptimo día de ensayo es indicativa de la encontrada en el tratamiento anaerobio continuo de un agua residual, por lo que se compararán los resultados en base a esto. Para la mezcla M+G, se obtienen excelentes resultados con sólo una filtración previa, pero hay que considerar en este caso, que el contenido de grasas y sólidos suspendidos iniciales era menor que en las otras dos determinaciones (600 mg/l comparado con 1800 mg/l de grasas). Para el caso de utilizar flotación y filtración previas, se observa que se logra una mayor biodegradabilidad final (aproximadamente 80%) comparada con la misma muestra sin estos tratamientos previos (aproximadamente 60%), pero una misma velocidad de degradación. Para la mezcla MOL, se ve una clara influencia de los sólidos suspendidos en la biodegradabilidad. Al séptimo día, en el caso de la muestra previamente filtrada, se obtiene casi la biodegradabilidad máxima (aproximadamente 80%), mientras que sólo se tiene un 35% en el caso de la muestra sin tratar.
Evaluación Técnico-económica: En base a los resultados obtenidos, se diseñaron y evaluaron cuatro alternativas de tratamiento para las mezclas MOL y M+G: 1. Mezcla M+G : Tratamiento primario con floculante para la eliminación de sólidos y grasas. Tratamiento secundario anaerobio para la eliminación de la materia orgánica. Mezcla MOL : Tratamiento primario con coagulante para la eliminación de sólidos. 2. Mezcla M+G : Tratamiento primario de filtración para la eliminación de sólidos. Tratamiento secundario anaerobio para la eliminación de la materia orgánica. Mezcla MOL : Tratamiento primario con coagulante para la eliminación de sólidos. 3. Mezcla M+G : Tratamiento primario de filtración para la eliminación de sólidos. Tratamiento secundario anaerobio para la eliminación de la materia orgánica. Mezcla MOL : Tratamiento primario de filtración para la eliminación de sólidos. 4. Mezcla M+G : Tratamiento primario de flotación para la eliminación de grasas. Tratamiento anaerobio para la eliminación de la materia orgánica. Mezcla MOL : Tratamiento primario de filtración para la eliminación de sólidos. Costos de Inversión US$ Costos de Operación US$ Alternativa 1 155.000 1.250 Alternativa 2 210.000 490 Alternativa 3 195.000 245 Alternativa 4 167.500 450 Alternativa 1: A pesar de presentar los menores costos de inversión, no se recomendó esta alternativa pues los efluentes de la planta de tratamiento no estarían dentro de la normativa vigente (en la mezcla MOL sólo se logra reducir un 43% de sólidos y 50% de la DQO). Debido al uso de aditivos (PAF y FeCl 3 ) los costos operacionales son los más altos de las cuatro alternativas. El costo del reactor anaerobio se estimó en US$ 100.000 (se diseñó un reactor de contacto de 100 m 3 ) Alternativa 2: Surge como una manera de disminuir los costos operacionales de la alternativa 1 y una operación más sencilla. Sin embargo, no se elimina en forma considerable el contenido de sólidos y grasas presentes en las aguas residuales a tratar. Por este motivo, el volumen del reactor anaerobio necesario es mayor que en las otras alternativas (170 m 3 ) teniendo como consecuencia un notable aumento en los costos de inversión (el costo del reactor anaerobio se estimó en US$ 155.000). Alternativa 3: La operación resulta ser la más sencilla y con un menor costo operacional que todas las otras alternativas (US$ 245). Aunque la inversión en el tratamiento primario es menor que en la alternativa 2, el costo del reactor anaerobio es mayor (se estimó en US$ 184.000), pues la filtración no reduce en forma considerable las grasas y los sólidos presentes en la mezcla M+G. Alternativa 4: Se determinó que la flotación disminuye en un porcentaje importante la presencia de grasas. El reactor anaerobio requerido para esta alternativa es similar al requerido en la alternativa 1 (de aproximadamente 110 m 3 ), pues la reducción en el contenido de grasas y sólidos es similar al obtenido por tratamiento con floculante (80%). Los costos operacionales de esta alternativa se reducen a mano de obra, disposición de grasas flotadas y consumo de energía, entre los más importantes. En consecuencia, dada la baja inversión que significa esta alternativa (frente a las otras), sus bajos costos operacionales y la sencillez de manejo de la planta de tratamiento, se optó por esta alternativa para el tratamiento de los residuos líquidos en estudio.
CONCLUSIONES - Con el presente estudio se puede aseverar la factibilidad de eliminar la materia contaminante de un agua residual proveniente de la fabricación de galletas y de la fabricación de manjar. - Los principales contaminantes orgánicos del agua residual son las grasas y los sólidos suspendidos. - La mejor alternativa para estas reducciones consiste en: proceso de flotación, pasando luego por un filtro de arena y un posterior proceso anaerobio. El agua residual de la planta de manjar anexa, puede ser tratada mediante un proceso de filtración en arena. - Desde el punto de vista económico, la alternativa seleccionada posee costos de operación relativamente bajos (US$ 450) si se comparan con la alternativa que entrega resultados similares (alternativa 1, costos de operación: US$ 1.250). - La inversión estimada para la alternativa seleccionada alcanza la suma de US$ 167.500 y los costos operacionales se estiman en US$ 450 (sin considerar la mano de obra).