EVALUACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL EN LA CIUDAD DE TIJUANA BAJA CALIFORNIA, MEXICO. Cristhabel VERDUGO, J. Guillermo RODRIGUEZ, Juan TEMORES, Rubén G. SEPULVEDA, Eduardo ROGEL, Heriberto ESPINOZA, Mario RAMIREZ Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, Calzada del Tecnológico No. 14418, Mesa de Otay Tijuana B.C., C.P. 2239, Tel/fax: 1(664)682279, correo electrónico; jventura@uabc.mx Palabras clave: Evaluación sistemas de tratamiento, Optimización operación sistemas de tratamiento RESUMEN Se presenta un diagnóstico de los parámetros de operación de un sistema de tratamiento agua residual industrial y se compara la calidad del efluente con los establecidos en la normatividad ambiental, Para este efecto se realizaron muestreos simples y compuestos en el influente y efluente del sistema de tratamiento de agua residual durante 6 meses. Las muestras fueron analizadas y se determinaron las concentraciones de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO 5 ), Demanda Química de Oxígeno (DQO), Nitrógeno Total (N-T), Grasas y Aceites, Turbidez y Iones metálicos (Cd, Pb, Cr, Zn, Ni). Los resultados exhibieron variaciones significativas entre las muestras simples y compuestas. Se realizó un análisis estadístico de cada uno de los parámetros evaluados para cada tipo de muestra, observándose una menor desviación estándar para las muestras compuestas, este comportamiento indica la necesidad de incorporar un tanque de igualación en el proceso de tratamiento. La optimización de la clarificación se realizó mediante prueba de jarras a muestras compuestas del influente y la eficiencia de este proceso depende de la remoción de compuestos orgánicos volátiles (COV s) y de la decantación eficiente de aceites así como de la concentración y tipo de coagulante-floculante. La optimización de este proceso se realizó mediante la evaluación de la turbidez residual. Se compararon los resultados obtenidos en muestras compuestas con los límites máximos permisibles por la NOM-1-SEMARNAT-1996 y NOM-2-SEMARNAT- 1996, obteniendo una calidad del efluente cuya composición esta dentro de la norma. INTRODUCCION Las ciudades de Tijuana y Rosarito concentran una cantidad importante del sector industrial y de servicios, los cuales descargan agua residual industrial de baja calidad al sistema de alcantarillado. Estas descargas afectan la operación y la integridad del sistema municipal de tratamiento del agua residual (PTARj), además de deteriorar la calidad de los cuerpos receptores (Westerhoff 2). Una alternativa de solución al problema anterior, es promover el desarrollo de tecnologías que coadyuven a mejorar la calidad y reuso (PAPSMTR 23)mediante la modificación del proceso productivo y/o 1
eficientización del sistema de tratamiento de agua, propiciando con esto la protección del recurso hídrico en la región. Uno de los principales problemas que enfrenta el sector industrial de la región es la falta de asesoría técnica que les permita eficientar los procesos productivos, considerando los procesos de control de la contaminación. En presente estudio se muestra el caso de la industria de tratamiento de fibras textiles la cual muestra problemas de calidad en el efluente del sistemas de tratamiento de agua residual. En este sentido es necesario realizar estudios que permitan evaluar y/o eficientizar el sistema de tratamiento de agua residual, como una alternativa de reuso de este recurso prevenir la contaminación en nuestro entorno. El objetivo del presente trabajo es evaluar y eficientizar un sistema de tratamiento de agua residual industrial, con el fin de obtener una descarga de agua con una calidad, que cumpla con los limites máximos permisibles establecidos en la normatividad ambiental vigente y que represente una opción de reuso. En este trabajo se muestra un estudio diagnóstico de la calidad actual del agua tratada proveniente del lavado de textiles, el cual no cumple con los parámetros de descarga establecidos en la NOM-2-SEMARNAT-1996. Posteriormente se discuten las modificaciones que deberán de realizarse al sistema de tratamiento de agua residual, con la finalidad de dar cumplimiento a la normatividad (Verdugo 25). METODOLOGÍA El sistema de tratamiento de agua residual de fibras textiles esta constituido por las siguientes operaciones: Pretratamiento, Decantación de aceite, Neutralización, Clarificación y Filtración. El diagnóstico de la operación del sistema de tratamiento se realizó mediante un muestreo simple y compuesto semanal del influente y efluente durante 6 meses (Keri 1989). Se evaluó la eficiencia de remoción de los parámetros establecidos por la Dirección General de Ecología del Estado de BC en las condiciones particulares de descarga: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO 5 ) por el método respirométrico, Demanda Química de Oxígeno (DQO) por el método espectrofotométrico Hach, Nitrógeno Total por el método Kjendall, Grasas y Aceites por extracción con hexano y Iones metálicos ( Cd, Pb, Cr, Zn, Ni) por absorción atómica. El proceso de clarificación de las muestras compuestas del influente se optimizó mediante la desorción de compuestos orgánicos volátiles (COV s) Kemmer 1988), decantación de aceites, optimizándose la concentración y tipo del coagulante; Al 2 (SO 4 ) 3, Ca(OH) 2, FeSO 4 y Bentonita (SiO 2 Al 2 O 3 ) así como la concentración del floculante; poliacrilamida en prueba de jarras, La eficiencia del proceso de clarificación se evaluó por medio de la turbidez residual determinada por neferometría (Pontius 199). 2
RESULTADOS Los resultados mostraron variaciones significativas en DBO 5, grasas y aceites y DQO entre las muestras simples, compuestas y las obtenidas por tratamiento de prueba de jarras, en la Figura 1 se muestra la variación de DQO, este comportamiento así como el de DQO, grasas y aceites mostrado en la Figura 2 (a) y nitrógeno total (N-T), indica la necesidad de incorporar un tanque de igualación en el proceso de tratamiento. 25 2 15 inf luent e Ef luent e Prueba de jarras 16 14 12 1 inf luent e ef luent e prueba de jarras 1 mg/l 8 6 5 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Dias (b) (a) Figura 1. Demanda Química de Oxigeno de muestras simples (a) y compuestas (b). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3 El análisis de iones metálicos (Cd, Zn, Ni, Pb y Cr) en el influente y efluente del sistema de tratamiento demostró una remoción eficiente de estos, mejorando aun mas en las muestras tratadas mediante la prueba de jarras, como se muestra en la Figura 3. Considerando los límites máximos permisibles (lmp) para metales traza establecidos en la NOM-1-SEMARNAT-1996, se observó que la eficientación de la clarificación es determinante para cumplir con los parámetros de descarga en cuanto a plomo (lmp =1 mg/l) y cadmio (lmp =.4 mg/l). Dias 25 2 Influente Efluente Prueba de Jarras 2.5 2 Ef luente Prueba de jarras 15 1.5 mg/l 1 1 5.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 25 26 27 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 111121314151617181922122232425 Muestra (a) (b) Figura 2. Concentración de grasas y aceites en (a) muestras simples y (b) muestras compuestas. 3
La optimización de la clarificación depende de la remoción eficiente de compuestos orgánicos volátiles (COV s), de la decantación eficiente de aceites, así como de la concentración y tipo de coagulante y floculante (Maskew 1994). En las pruebas de jarras realizadas a muestras compuestas del influente se evaluó el efecto del de la concentración y tipo de coagulante, empleándose los siguientes coagulantes: Sulfato de aluminio (Al 2 (SO 4 ) 3 ), Sulfato ferroso (FeSO 4 ), Hidróxido de calcio (Ca(OH) 2 ) y bentonita (SiO 2 Al 2 O 3 ) y poliacrilamida como floculante. 1.6.8 CONCENTRACION 1.4 1.2 1.8.6.4 LIMITE NORMA mg/l EFLUENTE mg/l P. DE J. mg/l CONCENTRACION.7.6.5.4.3.2 LIMITE NORMA mg/l EFLUENTE mg/l INFLUENTE mg/l P. DE J. mg/l.2.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 DIAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 DIAS (a) (b) Figura 3. Concentración de Plomo (a) y Cadmio (b) en muestras compuestas La eficiencia de los coagulantes se realizó mediante la evaluación de la turbidez residual contra la relación del volumen de coagulante (Vc) / volumen de muestra (Vm) (Vc/Vm). Los resultados de turbidez residual de las pruebas de coagulación de muestras compuestas del influente indican el siguiente orden en la eficiencia de coagulación; Al 2 (SO 4 ) 3 ~ Ca(OH) 2 > FeSO 4 > Bentonita. En la Figura 4 se muestran los resultados obtenidos con Ca(OH) 2 y Al 2 (SO 4 ) 3 en la cual se observa que Ca(OH) 2 presenta una relación de Vc/Vm =3 con una turbidez residual de 1.66, mientras que Al 2 (SO 4 ) 3 presenta una relación de Vc/Vm =162 y una turbidez residual de 1.34. 7 7 6 6 Turbidez 5 4 3 2 Turbidez 5 4 3 2 1 1 15 25 28 83.3 1 25 25 25 3 35 Vm/Vf 6.25 8.3 11.2 12.5 13.7 2 75 125 162.5 Vc/Vm (a) (b) Figura 4. Turbidez residual de la prueba de coagulación con (a) Ca(OH) 2 y (b) Al 2 (SO 4 ) 3 de muestras compuestas del influente. 4
En cuanto a los resultados obtenidos en las pruebas de floculación con una solución al 5% de poliacrilamida, en la Tabla I se observa que el valor óptimo de turbidez residual.61 corresponde a una relación de volumen de muestra (Vm); volumen de floculante (Vf); Vm/Vf= 275. Tabla I. Resultados de floculación de muestras compuestas con una solución al 5% de poliacrilamida. Coagulante Floculante Relación Vm/Vf Turbidez Al 2 (SO 4 ) 3 Poliacrilamida 275.61 Ca(OH) 2 Poliacrilamida 25 1.88 FeSO 4 Poliacrilamida 3 1.66 Bentonita Poliacrilamida 3 1.71 Los resultados anteriores indican que la eficiencia del tratamiento del agua residual depende de la homogeneidad del agua tratada, de la eficiencia de la remoción de COV s y aceite, asi como del uso de Ca(OH) 2 o Al 2 (SO 4 ) 3 y poliacrilamida con la relación Vc/VM y Vm/Vf indicadas anteriormente. Como es evidente es necesario redimensionar el sistema de tratamiento de agua residual, para este efecto se determinaron los parámetros actuales de operación referentes a tiempo de retención, dimensiones del equipo y flujos, los cuales se presentan en la Tabla 2 y están asociados a la baja eficiencia del proceso de tratamiento, determinada a través del muestreo simple. Tabla 2. Parámetros actuales de operación del sistema de tratamiento. Equipo Tiempo de retención (min.) Volumen (litros) Sedimentador primario (fosa) 3.51 6. Mezclador 38.5 5238. Tanque de apoyo 36.4 4866.7 Separador de aceite 57.5 381 Neutralizador 3.27 176.9 Clarificador 124. 7622. Filtro - - Total 262.2 (4.37 h) 21,584.6 Los resultados obtenidos en éstas muestras nos indican una gran dispersión en la composición del influente y efluente, esto en parte debido a la gran variación del flujo en el influente. Esta problemática se resolvió mediante el muestreo compuesto, el cual pretende similar la incorporación de un tanque de igualación en la entrada al proceso de tratamiento., obteniendo con ésto muestras de concentración y flujo promedio. Para eficientar la clarificación, las muestras compuestas fueron tratadas por medio de la prueba de jarras como se menciona anteriormente, la cual se optimizó a través de una previa desorción de compuestos orgánicos volátiles (COV s) e incremento del tiempo de retención en la decantación de grasas y aceites. Los resultados de estas muestras presentan una menor dispersión en la concentración y cumplen con la normatividad. Para incorporar este procedimiento al sistema de tratamiento, a continuación se describen las modificaciones al sistema de tratamiento. Incorporación del tanque de igualación después del sedimentador primario. 5
Desorción de COV s con la inyección de aire caliente al tanque de igualación. Ésta eliminación nos permite obtener una óptima decantación de aceite. Los COV s volatilizados son enviados al secador, en donde se elimina el vapor de agua y posteriormente al quemador en donde son convertidos en CO 2 + H 2 O. El agua libre de COV s es enviada al tanque mezclador en donde se ajusta a ph 2, mediante la adición de H 2 SO 4, la cual sigue siendo una buena opción para el rompimiento de la emulsión agua-aceite. La masa de agua al salir del mezclador se bombea y enfría por medio de un serpentín en el tanque separador de aceite, en el cuál se separa el aceite por decantación. El agua que sale del separador (libre de aceite) es enviada a un tanque neutralizador, en el cuál se adiciona una solución de NaOH al 4%, hasta lograr un ph 9-1. Al salir del tanque neutralizador el agua es enviada al tanque clarificador, en donde se le añaden las soluciones de coagulante con mezclado rápido en primera instancia y posteriormente el floculante con mezclado lento. Terminado el tiempo de retención en el tanque clarificador, el agua es enviada a un filtro bolsa en donde son eliminados los sólidos suspendidos y los lodos se envían a un filtro prensa. El agua clarificada se envía a un tanque de oxidación con Ca(ClO) 2 para eliminar las sustancias coloridas solubles. Por último el agua es enviada a un tanque neutralizador al cuál es adicionado H 2 SO 4 hasta ph = 9-1 De acuerdo a las modificaciones consideradas anteriormente, se presenta en la Fgura 5 el diagrama de la propuesta de modificación al sistema de tratamiento de agua residual. SECADOR QUEMADOR SERPENTIN (1) AIRE + VOC s (3) (4) ACEITE AIRE FOSA DE RECEPCIÓN TANQUE DE IGUALACIÓN H2SO4 MEZCLADOR SEPARADOR DE ACEITE (5) FOSA DE SALIDA NaOH NEUTRALIZADOR (7) (6) (9) (8) H2SO4 NEUTRALIZADOR CaClO FILTRO CLARIFICADOR LODOS COAGULANTE FLOCULANTE Figura 5. Diagrama de modificaciones al sistema de tratamiento de agua residual 6
Debido a que es necesaria la instalación de un tanque de igualación para amortiguar los cambios de flujo y concentración, a continuación se presenta el cálculo del mismo. Considerando que el flujo promedio de operación es: Qprom = 4,87.8 Lph Y el tiempo de retención de operación es: t ret = 4.37 h El volumen de agua tratada es: V trat =17863 L Si el Qprom teórico es [Qprom]t = 21584 L / 4.37 h [Qprom]t = 4939 Lph Debido a que Qprom < [Qprom]t, tenemos que la capacidad de operación del sistema es; Cap. Operación = 17863 / 21589 Cap. Operación = 82.79 % Considerando que el tanque de igualación esta integrado por el sedimentador primario y el tanque de soporte tenemos; Volumen del sedimentador primario Volumen del tanque de apoyo = 6 L = 4866.7 L Volumen del tanque de Igualación = 5466.7 L Y el tiempo de retención actual = 3.51 min + 36.4 min =.65 h El tiempo de retención requerido=5466.7 L / 487.8Lph = 1.33 h Los datos anteriores nos indican que es necesario incrementar el tiempo de retención actual de.65 h a 1.33 h. Para ésto es necesario incrementar el tiempo de retención al tanque de apoyo de 36.4 min a 7 minutos y el sedimentador primario de 3.51 min a 1 min. Con las modificaciones anteriores tenemos que el flujo de salida del sedimentador primario y tanque de apoyo será de 6 L/min Para resolver el problema de mezclado en el tanque de igualación se propone que éste cuente con un sistema de recirculación y se ubique posteriormente al sedimentador primario como se muestra en la Figura 5. CONCLUSIONES La baja eficiencia del proceso se debe a la discrepancia entre la gran variabilidad en la composición y flujo del influente y los parámetros fijos de operación del proceso de tratamiento agua residual. La incorporación del tanque de igualación permite amortiguar estos cambios y recalcular los tiempos de retención en cada etapa del tratamiento. Las operaciones unitarias que tienen mayor influencia en la optimización del proceso son la clarificación y deserción, ademas la optimización del proceso de clarificación esta relacionada con la eficiencia de la decantación de grasas y aceites. Los ensayos de coagulación-floculación muestran que los coagulantes óptimos son Ca(OH) 2 y Al 2 (SO 4 ) 3 ; esto indica que la s especies coloidales que se desean neutralizar tiene un comportamiento aniónico. En nuestro caso particular, se utilizó como floculante un polielectrólito de poliamida, el cual funciona también como coagulante anfótero [ R-CO - =N + -R ]. 7
AGRADECIMIENTOS Westerhoff P., The US-Mexican border environment; water issues along the US- Mexican border, (2), SCERO Monograph Serie No. 2, San Diego State University Press, San Diego CA, pg 31-45. A la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la UABC, por su apoyo en la realización de este proyecto REFERENCIAS Kemmer F. N., The Nalco Wather Handbook, (1988)., Mc Graw Hill Company, Segunda Edición, U.S.A. Kerri K. D., Water Treatment Plant Operation, (1989), California State University, Sacramento School of Engineering. Vol.1, Sacramento C. A., U.S.A. Maskew G. F., Purificación de Aguas y Tratamiento y Remoción de Aguas Residuales. Ingeniería Sanitaria de Aguas Residuales. (1994), John Charles Geyer y Daniel Alexander Okun. Vol. 2. Editorial Limusa. México, D.F. PMAPSMTR, Plan Maestro de Agua Potable y Saneamiento de los Municipios de Tijuana y Rosarito, (23), Comision Estatal de Servicios Públicos de Tijuana. Pontius F. W., Water quality and treatment. (199), Fourth Edition. McGraw-Hill. U.S.A. Verdugo Alvarez A. Cristabhel, Evaluación y Optimizacion de los parámetros de operación de un sistema de tratamiento de agua residual industrial en la ciudad de Tijuana B. C., (25), Tesis de Maestría en Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias químicas e Ingeniería, UABC. 8