Manual de Water Essentials: Métodos de tratamiento de aguas residuales industriales

Introducción a los métodos de tratamiento de aguas residuales industriales

La variedad de productos químicos y materiales producidos en plantas industriales de todo el mundo crean diversos problemas de tratamiento de aguas residuales. Los flujos de residuos pueden contener cualquier cantidad de compuestos problemáticos y/o tóxicos que deben eliminarse antes de la descarga. Algunos de los posibles métodos de tratamiento son similares a los que examinamos para el tratamiento de agua de aporte, p. ej., clarificación/filtración de medios, mientras que otras tecnologías han surgido recientemente como reemplazos de métodos más antiguos y menos eficientes. 

Algunas corrientes de aguas residuales, como la purga de la torre de enfriamiento, pueden descargarse directamente a un cuerpo de agua receptor siempre que la descarga cumpla con las regulaciones ambientales fundamentales. Por el contrario, las propiedades físicas y la química de la fuente de agua receptora pueden influir en gran medida en los requisitos de descarga, lo que a su vez puede requerir un alto nivel de tratamiento en una planta de aguas residuales en el sitio. Este capítulo examina los problemas emergentes de aguas residuales y describe las técnicas modernas para el tratamiento de aguas residuales industriales.  

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Tratamiento primario de aguas residuales

Los métodos óptimos de tratamiento de aguas residualesvarían según las impurezas dentro de un flujo de aguas residuales. Sin embargo, el tratamiento primario es necesario para eliminar sólidos y O&G para muchas aplicaciones. Estos pasos a menudo disminuyen el TOC, BOD y COD en cierta medida. A continuación se muestra un esquema de tratamiento común.

Figura 8.1. Un esquema común de pretratamiento de aguas residuales.

En algunas aplicaciones, los flujos de residuos pueden pasar por un paso de inspección preliminar (filtros giratorios, pantallas de barras, etc.) para la eliminación de contaminantes grandes antes del tratamiento posterior. Este paso es más común para la composición de agua cruda, donde el afluente puede tener troncos, basura y otros residuos considerables.

La Figura 8.1 ilustra una cuenca de sedimentación rectangular con varias cámaras. La capacidad de dichas unidades para eliminar partículas está determinada por la Ley de Stokes. Los sólidos suspendidos más pesados, como la arena y la arenilla, se asentarán fácilmente bajo la influencia de la gravedad, pero las partículas más pequeñas pueden permanecer en suspensión durante largos períodos. En consecuencia, puede ser necesario un clarificador primario para la eliminación de sólidos adicionales. A continuación se presenta una breve revisión de los fundamentos de la aclaración. 

Figura 8.2. Un clarificador primario de aguas residuales.

En este diseño en particular, la inyección de coagulante al afluente del clarificador neutraliza las cargas negativas típicas en sólidos suspendidos. Esta agua ingresa al cuerpo principal del clarificador, donde se asientan los sólidos floculados. La purga periódica de lodo es necesaria para eliminar los sólidos acumulados.

Muchas aguas residuales contienen cierta cantidad de O&G que puede ensuciar los equipos aguas abajo. Hay varias técnicas bien establecidas disponibles para reducir las concentraciones de O&G.

Separador API

Figura 8.3. Un separador de aceite/agua API.

A medida que el agua fluye a través del recipiente, el aceite libre se eleva y se mueve a lo largo de la superficie hasta un skimmer giratorio. El aceite desnatado fluye hacia un recipiente separado para su eliminación periódica, generalmente por una empresa especializada que retira los desechos aceitosos del sitio. Los sólidos más pesados dentro del separador se asientan y acumulan en la parte inferior de la unidad, donde un sistema de raspado arrastra el material a un pozo húmedo para una purga periódica.  

En los separadores de PPI, el agua aceitosa fluye hacia arriba a través de placas corrugadas o paralelas.

Figura 8.4. Esquema de un interceptor de placa paralelo.

Las placas mejoran la separación del aceite libre y los sólidos suspendidos. El aceite se fusiona y sube por las superficies de la placa, mientras que los sólidos se aglomeran y se asientan en el pozo de lodo. Un problema potencial con los separadores de placas es que los sólidos pueden acumularse en las placas y reducir la eficiencia de la unidad. La contaminación de las placas puede requerir limpiezas de mantenimiento regulares.

Debido a que la separación básica de aceite/agua es un proceso mecánico, generalmente no se recomienda el tratamiento químico, ya que los cambios químicos podrían influir negativamente en el rendimiento.

Adición de coagulante/floculante

El tratamiento anticoagulante/flocculante del influente de DAF es común para producir partículas moderadamente más grandes que atraen más fácilmente microburbujas. La alimentación química debe monitorearse y controlarse cuidadosamente para producir un tamaño de flóculo óptimo, ya que los flóculos grandes (>100 μm) pueden ser perjudiciales. 

Cámara de flotación 

La cámara de flotación del DAF puede ser circular o rectangular. En cualquier caso, la cámara está equipada con dos zonas funcionales: la zona de reacción y la zona de aclaración. La zona de reacción proporciona condiciones para que las partículas suspendidas entren en contacto y se adhieran a las burbujas de aire. La zona de clarificación proporciona condiciones inactivas para que los aglomerados de aire/partículas se eleven a la superficie. Algunos DAF están diseñados con placas inclinadas para mejorar la separación de sólidos. 

Mecanismos de inyección de aire 

El sistema de inyección de aire o saturación de aire debe diseñarse para proporcionar la cantidad de aire requerida en la forma (tamaño de la burbuja) necesaria, de manera que se requiera una cantidad mínima de flujo de reciclaje. A continuación, se muestra una configuración común, conocida como saturación de aire de extremo abierto. La saturación de aire de extremo abierto incluye succión atmosférica de aire y una bomba de reciclaje configurada para manejar agua con aire arrastrado. Este diseño funciona a una presión menor que los sistemas de saturación de aire sin salida. 

Figura 8.6. Inyección de aire en la corriente de reciclaje.

Las válvulas de alivio minimizan la acumulación de presión.

Detalles adicionales de diseño y operación de DAF

Tamaño de burbuja y relación aire-sólidos

La experiencia indica que las condiciones óptimas para la separación de líquidos/sólidosse producen con diámetros de microburbujas dentro de un rango de 10–100 micrones, con la mayoría de las burbujas que oscilan entre 40–80 μm. La secuencia de contacto gas/sólido puede ocurrir por adsorción, adhesión, atrapamiento, intercepción e inercia. La relación aire-sólidos (A:S) es la relación de aire arrastrado frente a la masa de sólidos suspendidos que ingresa a la cámara de flotación. Las relaciones A:S se ven influenciadas por las características de impureza (densidad del TSS) y el método de tratamiento químico. Las relaciones A:S típicas están entre:  

• Bajo = 0,01 libra/día de aire:1 libra/día de TSS 
• Alto = 0,40 libras/día de aire:1 libra/día de TSS

Un pie cúbico de aire a temperatura y presión estándar pesa aproximadamente 0.0807 lb.

Tasa de reciclaje

La velocidad de reciclaje depende de la solubilidad del aire y la concentración de sólidos en el flujo de residuos; la velocidad de reciclaje puede variar del 10 al 100 % del flujo de afluente. La eficiencia de la saturación de aire es mejor a tasas de reciclaje más bajas. Como regla general, la tasa de reciclaje es proporcional al TSS. Para un TSS afluente de 1000 ppm, un rango de reciclaje óptimo podría ser del 30 % al 50 %. Con un TSS de 2000 ppm, la tasa de reciclaje podría ser de hasta el 100 %.

Carga típica: aclaración de DAF

• Carga superficial de DAF convencional:
  • Entre 1,5 y 7,5 gpm/pie², puede ser de hasta 16 gpm/pie². Más comúnmente, está por debajo de 5 gpm/pie²
  • Carga de sólidos entre 0,30 y 2,0 lb/ft²·h 

Temperatura

La temperatura del agua influye en la viscosidad y las reacciones de coagulación. El agua a alta temperatura puede ser problemática en algunas aplicaciones de tratamiento, como las de renderización y refinación. Al igual que con otros parámetros físicos y químicos, la temperatura debe considerarse durante el diseño del proyecto.

Rastrillos inferiores

Los sólidos pesados se asientan en la botella de la cámara de flotación y deben eliminarse periódicamente. El DAF tiene desnatadores o rastrillos inferiores para eliminar sólidos de la celda de flotación. Los sólidos se disponen en otra parte. 

Desnatadores de superficie

El elemento principal final es el desnatador de superficie, que elimina los residuos flotantes. El sistema más común es una banda transportadora de vuelo accionada por cadena con paletas y un mecanismo de accionamiento accionado por temporizador de velocidad variable. El diseño de velocidad variable permite un control mejorado del grosor de la capa flotante y el TSS del efluente. 

La capa flotante permanecerá estable durante períodos relativamente largos sin afectar la turbidez del efluente de DAF. El siguiente cuadro describe la turbidez del agua tratada y el grosor de la capa de lodo en comparación con el tiempo.

Figura 8.7. Turbidez del efluente DAF en función del tiempo y el grosor de la capa de lodo.

El espesor adecuado de la capa de lodo es una función de las recomendaciones del fabricante, la naturaleza de los sólidos, el caudal y los resultados deseados. La salida puede estar limitada por las capacidades del sistema de manejo de lodos.

Eliminación de selenio 

Otro elemento problemático es el iselenio. El selenio es un no metálico que es un nutriente esencial para los seres humanos en concentraciones muy pequeñas, pero, al estar directamente por debajo del azufre en la tabla periódica, puede causar problemas de salud animal y humana si reemplaza al azufre en algunas vías metabólicas. El selenio no experimenta reacciones de precipitación como se muestra en la sección anterior. El elemento puede existir en cuatro estados de oxidación diferentes: -2, 0, +4 y +6. Al igual que el azufre, se une fácilmente con el oxígeno, siendo los aniones comunes selenita (SeO₃^2-) y selenato (SeO₄^2-). La selenita es soluble en agua, pero tiene una fuerte afinidad de adsorción al suelo que reduce en gran medida la movilidad. El selenio elemental (Se⁰) existe en forma cristalina y generalmente se incorpora en las partículas del suelo. El selenuro (Se^2-) puede ocurrir como selenuros metálicos (similares a los sulfuros metálicos), que tienden a depositarse en los sedimentos inferiores de los cuerpos de agua, o como compuestos orgánicos (principalmente como dimetilselenida). 

Un método potencial para el control del selenio es el tratamiento de los humedales. Los humedales actúan como biofiltros para eliminar materia orgánica, patógenos, metales y nutrientes, como nitrógeno y fósforo. Las aguas residuales que ya han recibido tratamiento biológico primario y secundario pueden ser un buen candidato para el acondicionamiento de humedales, ya que las cargas más bajas de contaminantes mejoran la viabilidad del tratamiento. Sin embargo, esta tecnología ofrece varias desventajas, incluida la gran huella, una tubería potencialmente larga hacia un humedal natural o artificialmente construido, costos, problemas de permisos ambientales, etc.

Por lo tanto, la mejor tecnología disponible (BAT) de la EPA para la eliminación del selenio es la adsorción de selenita y selenato en un sustrato orgánico, donde los microorganismos luego convierten los compuestos en selenio elemental retenido por los microbios. Periódicamente, el sustrato debe retirarse y reemplazarse con material nuevo. La instalación y operación de estos sistemas incurre en costos operativos y de capital considerables. 

Las alternativas no biológicas, como la ósmosis inversa (RO), la nanofiltración (NF) y el intercambio iónico, son costosas, pero latecnologíaChemTreat SeQuester^®ofrece una alternativa de precipitación física-química especializada. El equipo se puede adaptar a los sistemas existentes.

Figura 8.11. Esquema general, proceso de eliminación de selenio ChemTreat.

El aspecto físico/químico de la tecnología permite un ajuste directo según lo dictan las fluctuaciones del flujo del proceso. La química elimina eficazmente el selenio y, además, captura otros metales y metaloides, incluidos el arsénico, el mercurio y el molibdeno. Los precipitados salen en sistemas de clarificadores aguas abajo que incluyen una prensa de filtro para el desaguado de lodos. Los datos de las pruebas del Procedimiento de lixiviación característica de toxicidad (TCLP) han demostrado que el lodo deshidratado es bastante estable y puede verterse como residuo no peligroso.

Tratamiento secundario de aguas residuales

Muchos procesos industriales generan aguas residuales con contenido orgánico significativo. Los ejemplos incluyen azúcar, papel, productos farmacéuticos, solventes, petroquímicos, productos crudos, intermedios y terminados de refinería, y otros. Muchos de estos compuestos son directamente tóxicos para los organismos acuáticos o pueden agotar la concentración de oxígeno en el cuerpo de agua receptora. 

Los procesos de tratamiento microbiológico natural se han utilizado durante décadas para tratar orgánicos en corrientes de aguas residuales en instalaciones municipales e industriales. Las siguientes secciones examinan varias tecnologías maduras y las comparan con métodos de tratamiento modernos, que han evolucionado para proporcionar una alta eficiencia con una huella pequeña.

Sistemas de tratamiento de aguas residuales biológicas

En años anteriores, los sistemas de crecimiento conectados, como los filtros de goteo, eran populares para el tratamiento de aguas residuales. Ahora, han surgido tecnologías más modernas como los biorreactores de membrana. Para comprender mejor estos sistemas, es útil examinar primero el conocido proceso de lodo activado.

Tratamiento activado de aguas residuales de lodo

El tratamiento de lodo activado es quizás el sistema biológico de crecimiento suspendido más común. A continuación se muestra un diagrama simplificado.

Figura 8.12. Esquema del proceso de lodo activado.

Las aguas residuales ingresan a la cámara de aireación, donde las bacterias consumen el material orgánico y los nutrientes. Las cámaras de aireación son típicamente recipientes largos y rectangulares con el afluente en un extremo y el efluente en el extremo opuesto. Los volúmenes de diseño generalmente grandes proporcionan suficiente tiempo de retención para que las bacterias sean eficaces. Los lavamanos suelen estar equipados con varios aireadores colocados estratégicamente para distribuir oxígeno y proporcionar mezcla en toda la cámara. 

La aclaración de la lechada de bacterias/agua, conocida como “licor mezclado”, produce un lodo bacteriano y un efluente transparente. El lodo activado por reciclaje (RAS) devuelve el volumen del lodo al recipiente de aireación para reponer las bacterias. El flujo de lodo activado por desecho (WAS) es necesario para la purga del sistema. Generalmente, la velocidad de flujo WAS se ajusta para coincidir con la velocidad de reproducción bacteriana, mientras que las velocidades RAS se mantienen típicamente constantes en función de alguna fracción de la velocidad de flujo de entrada. 

Las mediciones e instrumentación importantes del control del proceso del clarificador incluyen:

• Medidor de flujo de entrada para detectar y responder a sobretensiones
• Medidores de flujo RAS y WAS para monitorear las tasas de reciclaje y desperdicio, en parte para determinar el tiempo de residencia de la cuenca
• Turbidez de entrada y salida
• Alcalinidad del proceso, pH, oxígeno disuelto (D.O.), BOD₅, nitrógeno y fósforo
• Nitrógeno y fósforo afluente y efluente
• Relación de sólidos de lechada V/V_o(Normal es un tiempo de sedimentación de 30 minutos)
• Índice de volumen de lodo (SVI) (Normal es un tiempo de sedimentación de 30 minutos)
• Mediciones de profundidad de lodo manuales o electrónicas

La concentración óptima de DO de la cuenca de aireación es de 2 a 4 mg/l. Los operadores pueden secuenciar los aireadores de superficie o elevar o bajar la velocidad del soplador para mantener este rango. Las fallas del aireador deben repararse de inmediato, ya que la pérdida de aire puede permitir que se desarrollen zonas sépticas. Los microorganismos prosperan dentro de una ventana de pH relativamente estrecha, con un rango común de 6,5 a 8,5. Las mediciones de alcalinidad, nitrógeno y fósforo son importantes para garantizar que los organismos reciban los alimentos y nutrientes adecuados, y también son importantes para hacer un seguimiento de las concentraciones de efluentes. Las pautas típicas de descarga de nutrientes son <0,5 mg/l, aunque pueden ser más bajas, especialmente si la descarga es a un cuerpo receptor de agua designado como “deterioro” por problemas previos de química del agua.

El control del flujo WAS es importante para ayudar a establecer y mantener la concentración bacteriana deseada. El ajuste de prueba y error suele ser necesario, ya que cada sistema es único. Los cálculos del cambio de flujo requieren los siguientes análisis diarios.

• Sólidos suspendidos de licor mixto (MLSS). Un volumen conocido de muestra se filtra y se seca, con medición del aumento de peso resultante de la almohadilla de filtro.
• Sólidos suspendidos volátiles de licor mixto (MLVSS). Los sólidos de la prueba MLSS se colocan en un horno de alta temperatura. Los compuestos de carbono, principalmente las bacterias, se volatilizan. La relación de sólidos restantes frente a MLSS permite calcular el contenido microbiano. 

El equilibrio de flujo RAS/WAS integrado también es importante. Los operadores de la planta deben mantener un equilibrio de sólidos dentro del sistema para minimizar la formación de zonas sépticas, pero no tan pesadas con RAS que priven al WAS de suficientes sólidos suspendidos para el manejo y deshidratación de lodos aguas abajo.

Digestión de lodo

Son posibles varios métodos para el tratamiento y la eliminación de lodos residuales. En plantas en ubicaciones rurales, puede ser posible aplicar directamente el lodo a campos que no son de cultivo. Más común es la digestión de lodos para reducir el volumen, seguida del secado de lodos. Están disponibles los procesos de digestión de lodos tanto aeróbicos como anaeróbicos.

Digestión aeróbica

El WAS se transfiere a un tanque aireado con mezcladores. La disminución del suministro de alimentos induce la muerte de algunas bacterias. A medida que las bacterias muertas se descomponen, las bacterias restantes consumen el carbono. El proceso reduce el volumen de lodo y estabiliza el material, lo que facilita la deshidratación. 

Digestión anaeróbica

El WAS se transfiere a un tanque sellado con control preciso de temperatura y pH. En ausencia de oxígeno, las bacterias fermentan y disminuyen en gran medida su volumen. El proceso libera sulfuro de hidrógeno (H₂S) y metano (CH₄). Algunas plantas queman estos gases, pero otras restriegan el H₂S y utilizan el metano para encender la caldera o como combustible para otros equipos.

Figura 8.13. Esquema de un digestor anaeróbico.

La fuga de gas de un digestor anaeróbico a menudo genera quejas públicas sobre el olor a “huevo podrido”. La digestión aeróbica es un proceso relativamente simple y perdonable, pero no produce subproductos utilizables, mientras que la digestión anaeróbica es más difícil de mantener y operar, pero puede generar energía valiosa. Se han desarrollado tecnologías de tratamiento para eliminar el sulfuro de hidrógeno de algunos flujos de proceso y aliviar los olores.

Eliminación de nitrógeno biológico

Como se describió anteriormente, el amoníaco es un nutriente primario para las bacterias en los sistemas de tratamiento biológico. Sin embargo, las aguas residuales pueden contener más amoníaco del que las bacterias pueden eliminar, lo que requiere la eliminación adicional de nitrógeno de las aguas residuales antes de la descarga.

Nitrificación

En muchos casos, convertir el amoníaco en nitrato menos tóxico (NO₃^–) puede ser todo lo que se necesita para cumplir con las pautas de descarga de amoníaco. Las bacterias especializadas impulsan este proceso.

Figura 8.21. El proceso bioquímico de nitrificación.

La mayoría de los sistemas de tratamiento de aguas residuales aeróbicas pueden configurarse para promover la nitrificación. Las condiciones necesarias incluyen:

• Concentraciones elevadas de MLVSS. Nitrosomonas y Nitrobacter son organismos de crecimiento lento que generalmente se adhieren a la superficie de bacterias heterotróficas. Los largos tiempos de retención de lodo elevan el MLVSS, lo que permite que las bacterias nitrificantes se establezcan y prosperen.
• Altas concentraciones de oxígeno disuelto, que mejoran la conversión a nitrito y luego nitrato.
• Alcalinidad suficiente del bicarbonato. El proceso de nitrificación crea ácido que inhibiría el proceso microbiano sin la influencia neutralizante de la alcalinidad. Además, las bacterias nitrificantes utilizan el carbono inorgánico de la alcalinidad como fuente de alimento.

Denitrificación

Dependiendo de la sensibilidad del cuerpo receptor de agua, los permisos de descarga pueden requerir una baja concentración de nitrógeno total del efluente. En ese caso, la conversión básica de amoníaco a nitrato puede no ser adecuada para el cumplimiento. A través de un proceso gradual, con la ayuda de bacterias beneficiosas, el nitrato puede convertirse en gas nitrógeno que se escapa a la atmósfera.

Figura 8.22. El proceso gradual de conversión de nitrato a nitrógeno elemental.

La denitrificación requiere un paso adicional en el proceso aeróbico convencional en los sistemas de crecimiento conectados y suspendidos. Las bacterias funcionan en un entorno “anóxico”, con una concentración de DO cercana a cero.

Figura 8.23. Un sistema de lodo activado común con desnitrificación.

En el tanque anóxico, las bacterias extraen oxígeno del nitrato e inician la secuencia de reacción que se muestra en la Figura 8.22. Se requiere un suplemento alimenticio orgánico como metanol.

Algunos sistemas modernos de desnitrificación son del diseño modificado de Ludzak-Ettinger (MLE). Esta disposición coloca el tanque anóxico delante de la cuenca aeróbica e incorpora un flujo de reciclaje de alto flujo desde la cuenca aeróbica de regreso al tanque anóxico.

Figura 8.24. Esquema del proceso de MLE.

El carbono orgánico en el afluente de la zona anóxica sirve como alimento para las bacterias desnitrificantes, eliminando la necesidad de alimento orgánico artificial, como metanol. El MLSS reciclado contiene el NO₃/NO₂de la conversión de amoníaco en la cuenca de aireación y se recicla de vuelta a la cuenca anóxica para su desnitrificación. En última instancia, el proceso alcanza un estado estable, lo que resulta en una concentración relativamente baja de NO₃/NO₂ del efluente.

Cloro 

La cloración sigue siendo muy popular para la desinfección de aguas residuales. La mayoría de las industrias ya no utilizan gas de cloro debido a los peligros asociados con el cloro elemental y la manipulación de cilindros de gas. El blanqueador líquido ha surgido como reemplazo debido a los requisitos simplificados de manipulación y transporte en comparación con el cloro, con una advertencia. La lejía industrial tiene una concentración activa del 12,5 por ciento, por lo que los costos de transporte pueden ser significativos para transportar un producto que es principalmente agua.

La concentración de oxidante residual en muchos permisos de descarga es de 0,2 mg/l y, a veces, mucho menor. Puede ser necesaria la decloración con bisulfito de sodio líquido o dióxido de azufre gaseoso. La decloración agrega otro nivel de complejidad y costo a la desinfección de aguas residuales.

Acondicionamiento y deshidratación de lodos

Prácticamente todos los sistemas de tratamiento de aguas residuales producen lodo residual que debe eliminarse. En algunos casos, el lodo se puede aplicar directamente a la tierra de las trompas de Falopio para servir como nutrientes para la vegetación, como granjas de césped o campos de golf. En otras situaciones, el lodo se debe convertir en un producto seco que se pueda verter. En algunos casos, el lodo contiene metales pesados que han sido secuestrados dentro de los sólidos. El procesamiento de lodos peligrosos puede ser complejo, desafiante y costoso. La selección de la mejor tecnología para cualquier aplicación requiere conocimiento del origen y los componentes del lodo, así como de los requisitos finales de eliminación. 

Acondicionamiento

El método principal de acondicionamiento de lodo es espesar para preparar el lodo para deshidratar. En muchos casos, el proceso es similar al de la aclaración convencional, es decir, coagulación y floculación.

Los coagulantes más comunes para la deshidratación de lodos son la cal y el cloruro férrico. Sin embargo, otros coagulantes pueden ser eficaces, como sulfato de aluminio, clorhidrato de aluminio (ACH), cloruro de polialuminio (PAC), sulfato férrico, coagulantes orgánicos y mezclas de coagulantes orgánicos/inorgánicos. Al igual que con la aclaración, los coagulantes neutralizan la carga negativa de las partículas. 

Los floculantes comunes de aguas residuales tienen estructuras reticuladas para resistir el cizallamiento durante el desaguado de lodos. Sin embargo, en ocasiones, los floculantes ramificados y lineales más convencionales pueden ser rentables. Los floculantes reticulados ofrecen una mayor captura de sólidos, produciendo un filtrado con un TSS más bajo. Los floculantes aniónicos pueden ser más efectivos para el desaguado de lodos inorgánicos, mientras que los floculantes catiónicos pueden ser más adecuados para el asentamiento y desaguado de lodos orgánicos.

Los filtros auxiliares pueden ayudar con la preparación de lodos. Las ayudas de filtro más comunes incluyen tierra de diatomeas, perlita, ceniza, carbón, carbón activado, fibra (pulpa de papel) y aserrín. Estos materiales crean microcanales en el lodo que agregan estructura a la torta de filtro, mejoran el drenaje y facilitan la liberación de la torta del medio filtrante.

La prueba de frascos con la ayuda de un proveedor de productos químicos para el tratamiento del aguaes muy importante para seleccionar los productos químicos y las dosis adecuadas para una clarificación eficiente y el acondicionamiento de lodos. Una vez que las pruebas en frascos hayan confirmado la química adecuada, las pruebas piloto a escala completa ayudarán a identificar los mejores puntos de alimentación para garantizar un mezclado y tiempo de contacto óptimos. La selección del programa de tratamiento final es una función de varios factores, incluidos el costo del tratamiento químico y la facilidad de aplicación, equilibrados con el rendimiento óptimo del clarificador y las características del lodo.

Métodos de deshidratación de lodos

Para los sistemas de aguas residuales en los que se requiere la deshidratación de lodos, optimizar el proceso de deshidratación es económicamente beneficioso. Además, el desaguado deficiente de lodos puede potencialmente apagar la planta si el material no es apto para transporte o eliminación. Las siguientes secciones describen las tecnologías de deshidratación de lodo más comunes. 

Prensa de correa 

A continuación se muestra un esquema básico de la prensa de banda y el funcionamiento real de la unidad.

Figura 8.25. Esquema de la prensa del filtro de la correa.

La gravedad drena un poco de agua a lo largo del plano horizontal a medida que la banda gira. La eliminación adicional de agua se produce a medida que la correa pasa por el rodillo grande y los rodillos más pequeños comprimen el lodo. Las propiedades de los sólidos aquí son más importantes y dependen del funcionamiento adecuado del clarificador y de la química para mantener la integridad de las partículas. Las características mecánicas del filtro de la correa, como la carga hidráulica, la velocidad y tensión de la correa, la fuerza de compresión de los rodillos y los sistemas de lavado con agua de la correa, también son factores importantes.

Centrifugadora

Las centrífugas pueden ser de flujo continuo o de flujo de lote. A continuación se muestra un diseño común.

Figura 8.26. Un esquema de centrífuga de “tazón sólido”. El azul representa el volumen de agua mientras que la banda transportadora es el tornillo helicoidal en el centro de la máquina.

La rápida rotación de la centrífuga imparte una fuerza 3000 a 6000 veces mayor que la gravedad para eliminar el agua de los sólidos. La torta se extrae en un extremo de la centrífuga y el agua, conocida como concentrado, sale del extremo opuesto.

Al igual que con otros sistemas de deshidratación, el acondicionamiento de lodo puede mejorar el rendimiento de la centrífuga. La alimentación de floculante justo antes o justo dentro de la centrífuga puede ser beneficiosa. Se pueden realizar otros ajustes mecánicos al volumen de la piscina, la velocidad de la taza y la velocidad de la banda transportadora. 

Prensa de filtro de placa y marco (PFFP) 

PFFP es un dispositivo muy común que funciona en lotes.

Figura 8.27. Esquema PFFP.

El compartimiento contiene muchas placas individuales cubiertas con un paño de filtro. El lodo se bombea hacia el recipiente y llena las aberturas entre las placas. Contrariamente a la creencia popular, no se aplica presión mecánica a las placas. Más bien, a medida que los sólidos se acumulan y cierran el espacio entre las placas, la presión aumenta e impulsa el agua a través de los canales de salida. El proceso continúa hasta que se alcanza la presión máxima de la bomba y/o el flujo de filtrado alcanza un mínimo. Un rango de presión común es de 25 a 225 psig, dependiendo de la aplicación. Algunos sistemas están diseñados para aumentar el flujo y la presión gradualmente, ya que de lo contrario podría producirse un enmascaramiento de tela. Una vez que el ciclo llega a su fin, se libera la presión y las placas se separan mecánicamente. La torta de filtro se descarga en una tolva a continuación para su posterior eliminación.

El PFFP suele ser el método preferido para tratar el lodo con características de deshidratación deficientes. La alimentación de coagulante, floculante o auxiliar de filtro puede mejorar el drenaje de agua y la liberación de la torta. Por ejemplo, agregar tierra de diatomeas al lodo aceitoso puede reducir el enmascaramiento del paño del filtro.

Algunas unidades están equipadas con un sistema de soplado de aire para expulsar el lodo líquido antes de separar la placa. Un procedimiento de mantenimiento regular es el lavado con paño para eliminar los sólidos que no se liberan durante la generación normal de pasteles. 

Filtros de vacío

La configuración típica del tambor de vacío se muestra a continuación.

Figura 8.28. Esquema y foto del tambor de vacío.

El tambor perforado horizontal está cubierto con un paño de filtro y separado en secciones donde se aplica vacío. A medida que el tambor gira a través del fluido en la cuba, el agua se tira hacia adentro y los sólidos se acumulan en el paño de filtro de las secciones individuales. Una mayor rotación lleva la torta a un raspador con una tolerancia ajustada al paño de filtro para que la torta se retire y caiga en una tolva de recolección. Estas tolvas a menudo están equipadas con una cinta transportadora que mueve el lodo a un área de retención más grande o a una instalación de carga de camiones. El recipiente de alimentación de lodo tiene agitadores para mantener una concentración de sólidos homogéneos, lo cual es necesario para establecer un grosor de torta consistente.

La eficiencia del filtro de vacío a menudo se mide como libras de lodo seco producido por hora por pie cuadrado de área de filtración. Otra medida común es el porcentaje de sólidos o el porcentaje de humedad en la torta. Al igual que con otros métodos de deshidratación, la alimentación de acondicionadores de lodo corriente arriba del filtro puede mejorar el rendimiento. También pueden emplearse ajustes físicos, incluidos cambios en el nivel de la cuba y la velocidad de rotación del tambor, para mejorar el rendimiento. Las velocidades más altas reducirán el grosor de la torta y el tiempo de deshidratación, lo que resulta en una mayor producción en términos de área de superficie del filtro, pero este cambio puede producir una torta con mayor contenido de humedad. La velocidad reducida del tambor produce una torta más espesa, pero podría reducir la velocidad de producción. Otros factores que influyen en el desempeño incluyen:

• Concentración de sólidos suspendidos de lodo.
• Tamaño y forma de las partículas de lodo. (A veces, las partículas muy finas pueden tapar el paño del filtro).
• Comprimibilidad y viscosidad de lodos.
• Aspirado aplicado. Un “talla única para todos” no es un buen enfoque. Puede ser necesario ajustar la aspiradora en función de la compresibilidad de lodos y el potencial de enmascaramiento de tela.

Configuraciones ZLD

Una industria notable con aplicaciones ZLD es la generación de energía de ciclo combinado. A continuación se muestra una configuración.

Figura 8.29. Una de las varias configuraciones de ZLD viables para una planta de energía de ciclo combinado.

Un componente clave de este proceso, como sucede con varios otros, es una unidad de ósmosis inversa (OI) de alta recuperación para recuperar aproximadamente el 90 % de la descarga para regresar al sistema de agua de aporte. La OI es una tecnología rentable para purificar la mayor parte de las aguas residuales y reducir en gran medida el volumen a las tecnologías aguas abajo mucho más costosas.

Típicamente, el pH del afluente de RO debe elevarse con alimentación cáustica para obtener recuperaciones tan altas. Sin embargo, sin el tratamiento previo, el ajuste del pH induciría la precipitación de calcio y silicato en las membranas de ósmosis inversa, lo que apagaría rápidamente la unidad. En consecuencia, la configuración mostrada anteriormente tiene un clarificador de corriente lateral para eliminar la dureza y la sílice. La mayor parte del efluente del clarificador se recicla a la torre de enfriamiento, pero se lleva una corriente de purga, que representa la purga de la torre de enfriamiento, a la ósmosis inversa. El permeado de RO de alto volumen se recicla en el sistema de tratamiento de aporte, mientras que el flujo de rechazo de RO mucho más pequeño recibe el tratamiento final en un evaporador/cristalizador (E/C). Los sólidos de la unidad de E/C se mezclan con lodo del clarificador seco para su eliminación.

En sistemas como estos, los evaporadores/cristalizadores tienen los materiales y costos operativos más altos. Incluso con un pequeño volumen de afluentes, los E/C pueden ser sistemas grandes y complejos para operar. La alimentación de cristales de semillas es común para inducir la precipitación de sólidos frescos en los cristales en lugar de en las superficies internas.

Figura 8.30. Un concentrador de salmuera.

Las unidades de E/C generalmente deben fabricarse con metales especiales para minimizar la corrosión de las sales altamente concentradas. Los requisitos de energía son considerables debido al aumento del punto de ebullición a medida que las soluciones salinas se concentran más. Una tecnología que se ha desarrollado para reducir los costos de energía es la aplicación de un vacío mecánico al evaporador para reducir el punto de ebullición. Los costos de energía de las bombas de vacío no se ven influenciados por el aumento del punto de ebullición.

En una variación de la eliminación final de agua de las Figuras 8.29 y 8.31 a continuación, un estanque de pulverización reemplaza el evaporador/cristalizador en una planta de energía de ciclo combinado en una ubicación semiárida en el oeste de los EE. UU. La recuperación de RO es del 90 por ciento, y el estanque de pulverización tiene suficiente capacidad, admitidamente con una gran huella, para proporcionar la evaporación promedio necesaria para manejar eventos periódicos de precipitación pesada. También cabe destacar en este caso que la ósmosis inversa tiene microfiltración corriente arriba para proteger las membranas de la contaminación por partículas.

A continuación se muestra una alternativa a la Figura 8.29.

Figura 8.31. Una variación del sistema que se muestra en la Figura 8.29.

En esta configuración, el clarificador/suavizante trata el maquillaje de la torre de enfriamiento, no la purga. Esta disposición permite ciclos de concentración más altos de la torre de enfriamiento y una tasa de purga más baja correspondiente. (Consulte la Figura 6.24 en elCapítulo 6para ver una ilustración de esta relación). Un menor volumen de purga puede eliminar la necesidad de RO, con alimentación directa al concentrador de salmuera. Sin embargo, el ablandamiento de la clarificación produce grandes cantidades de lodo.

Numerosas lecciones operativas y de diseño aprendidas están disponibles en instalaciones ZLD anteriores. Las deficiencias o problemas frecuentes incluyen: 

• Muchos evaporadores/cristalizadores están por debajo del tamaño debido al alto costo de este equipo.
• El control de sarro y espuma en evaporadores/cristalizadores presenta desafíos significativos, incluida la selección de programas de tratamiento efectivos y rentables.
• La operación confiable de ZLD requiere personal altamente capacitado y sofisticados sistemas de control de procesos.
• Una necesidad común es un gran estanque de almacenamiento o evaporación para recolectar aguas residuales cuando el sistema ZLD no funciona debido a una interrupción programada o no programada.

Conclusión

Como ha enfatizado este capítulo, la calidad de las aguas residuales industriales puede ser muy variable, lo que requiere flexibilidad en el diseño del tratamiento. En el Apéndice 8-1, se proporciona un ejemplo adicional y muy interesante, que analiza un proceso que a menudo no se menciona en los libros técnicos generales, pero que es importante para muchas industrias. El punto clave es que para cualquier aplicación, se necesita diligencia debida y una revisión rigurosa del diseño y las necesidades del proyecto para seleccionar el procedimiento de tratamiento de aguas residuales adecuado. Las pruebas de campo y, a veces, las pruebas piloto también son elementos importantes, que pueden coordinarse con una empresa de tratamiento de agua de buena reputación.

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Apéndice 8-1

Detactificación de pinturas

Introducción

Durante muchos años, los seres humanos han pintado o recubierto de otro modo materiales y estructuras para protegerlos de la corrosión y degradación atmosféricas, y a menudo también para estética. La pintura de muchos componentes del equipo se realiza en cabinas de pulverización, donde las condiciones ambientales, incluida la temperatura, humedad, y los niveles de polvo se controlan cuidadosamente para optimizar el proceso de pintura. Sin embargo, entre el 20 % y el 70 % de la pintura no entra en contacto con el objetivo y se considera exceso de pulverización. El lavado con agua es común para eliminar este exceso de pulverización, si la pintura no se trata correctamente, también conocido como “desatackified”, puede obstruir rápidamente las bombas y tuberías de recirculación, degradar la calidad del aire de escape, y aumentar los riesgos de incendio y explosión. Si la pintura se desatasa pero el agua de lavado no se trata adecuadamente, el agua puede servir como fuente de alimentos para bacterias patógenas o que causan olores. Este apéndice describe los problemas únicos pero muy importantes del tratamiento de aguas residuales para las numerosas instalaciones de pintura de todo el mundo.

Diseño de cabina de pulverización de pintura

Existen numerosos diseños de cabinas de pintura, pero este apéndice examina dos: corriente lateral y corriente descendente. La cabina de giro lateral es el diseño más antiguo y común.

Figura 8.1.1. Esquema de una cabina de giro lateral.

El aire ingresa a un lado de la cabina y sale por el otro lado. El aire cargado de pintura pasa a través de una cortina de agua que limpia el exceso de pulverización, con descarga a un sumidero. El sumidero descarga a una unidad de recolección de pintura para eliminar la pintura, con agua limpia que regresa a la cabina de pulverización.  

Las cabinas Downdraft están diseñadas para aplicaciones más grandes y se utilizan exclusivamente en plantas de ensamblaje de automóviles.

Figura 8.1.2. Diseño de cabina Downdraft.

En este diseño, el aire filtrado entra desde el techo y sale a través de las ranuras del piso. El agua ingresa a la cabina desde ambos lados y sale por las ranuras del piso. El contacto íntimo aire/agua frota la pintura. El aire limpio sale a través de las pilas, mientras que el agua cargada de pintura fluye desde la parte inferior de la cabina hasta la unidad de tratamiento. Al igual que con los diseños de tiro lateral, el agua limpia regresa a la cabina.

Tratamiento de aguas residuales

Debido a que existen muchas variedades de pintura, con diferentes productos químicos, no es posible un enfoque único para la eliminación de pegajosidad. Considere las pinturas de tipo laca que se curan mediante la pérdida de solvente orgánico cuando se exponen a la atmósfera. La adición cáustica al agua a menudo mejora el restregado, ya que reacciona con el aglutinante en la laca para formar un jabón que actúa como surfactante para emulsionar el solvente. El solvente emulsificado se separa de la pintura, lo que permite que la pintura se endurezca como un flóculo suspendido disperso durante la reacción de destaqueificación, mientras que el solvente emulsificado se elimina con el agua del sistema. El hidróxido de sodio o potasio es la fuente cáustica típica.

Las sales metálicas de coagulantes inorgánicos de hierro o aluminio pueden servir para eliminar la pegajosidad de pinturas reactivas al aire y pinturas no reactivas al aire a base de solventes. Para una destaqueificación adecuada, el pH debe aumentarse a un rango de 8 a 10. Las sales metálicas reaccionan con ésteres en las pinturas para formar un jabón metálico que acelera el proceso de curado. Además, se desarrolla un flóculo de pasador y un complejo asociado de hidróxido de metal precipitado con microburbujas de aire atrapado. La pintura puede separarse fácilmente del agua. En general, la pintura a base de agua no es pegajosa y no necesita ser destacada; sin embargo, debe ser retirada del agua del sistema de cabina. El tratamiento con un floculante de alto peso molecular (HMW) es común para eliminar el flóculo de pasador. Los floculantes aniónicos son típicos para pinturas a base de solvente y floculantes catiónicos para pinturas a base de agua. La dosis de sal metálica requerida puede variar ampliamente dependiendo de la aplicación. 

Si la destaqueificación es difícil, puede ser necesario mejorar la química de dispersión del agua de pulverización. Esto puede hacerse aumentando la alcalinidad del agua, teniendo cuidado de permanecer dentro del rango operativo de pH requerido. Las cenizas de soda (Na₂CO₃) y el metasilicato de sodio son sustancias químicas acondicionadoras comunes.  

Pueden emplearse coloides ácidos para destacar las pinturas a base de solvente. Estos compuestos tienen propiedades hidrófobas e hidrófilas. Son solubles en condiciones ácidas pero forman una estructura compleja con pH creciente. Algunos coloides ácidos incluyen almidón catiónico, amina de sílice, amina de silicato y formaldehído de melamina. Los extremos hidrófobos de las moléculas se unen a las gotas de pintura, mientras que los extremos hidrófilos se unen con agua. Las gotas de pintura se recubren con agua y ya no son pegajosas. Este tratamiento es más efectivo cuando la pintura permanece atomizada y luego se dispersa en agua que tiene un pH elevado por adición de alcalinidad.

Un antiadherente moderno consiste en quitosano (una glucosamina polimérica) y una sal metálica/almidón catiónico. Esta formulación se considera “tecnología ecológica” y está patentada por varias compañías. El quitosano proviene de los crustáceos. La sal metálica es típicamente a base de aluminio, con el almidón derivado del maíz. Debido a la alta actividad de la solución, la composición de aluminio/almidón se desempeña bien a una dosis más baja.

El agua de la cabina de pintura se monitorea para mantener el pH y la alcalinidad adecuados para la dispersión de pintura deseada. 

El polímero de destaqueificación normalmente se alimenta al agua de recirculación de la cabina. La dosificación de polímeros se determina principalmente por la cantidad de exceso de pintura, el tipo de pintura, la pintura a base de solvente o a base de agua y el diseño de la cabina de pintura. La alimentación de polímero durante la producción es normal; sin embargo, la alimentación de babosas de polímero es posible para los sistemas recién llenados, cuando la pintura es esporádica y/o en sistemas donde la pintura desafiada no se retira regularmente del agua de recirculación con una unidad consolidadora de lodo.

Según el análisis anterior, la Figura 8.1.3 describe el esquema general del tratamiento de agua de destaque de pintura.

Figura 8.1.3. Esquema del agua de la cabina de pintura.

Conclusión

Este apéndice es solo un ejemplo de las muchas aplicaciones de tratamiento de aguas residuales especializadas que existen en varias industrias. La evaluación cuidadosa y la recopilación de datos son imprescindibles para elegir programas de tratamiento efectivos.