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.  

Índice

Introducción
Descripción general de las impurezas prominentes de aguas residuales
Tratamiento primario de aguas residuales
Segunda etapa del tratamiento primario
Métodos de tratamiento de metales pesados
Eliminación de selenio
Tratamiento secundario de aguas residuales
Tratamiento de aguas residuales terciarias
Cero descarga de líquido
Conclusión
Apéndice 8-1

Descripción general de las impurezas prominentes de aguas residuales

Esta sección revisa brevemente las impurezas clave que pueden estar presentes en los flujos de aguas residuales. El análisis sirve como precursor para el siguiente examen de las técnicas de tratamiento. 

Cuando las pautas de descarga comenzaron a surgir con la aprobación de la Ley de Agua Limpia (1972) y el desarrollo de las regulaciones del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES), uno de los primeros objetivos regulatorios fue el efluente de agua de enfriamiento de la planta de energía. Los cuatro parámetros principales fueron sólidos suspendidos, aceite y grasa, pH y biocida oxidante residual. Muchos otros contaminantes han entrado en consideración regulatoria desde entonces, y estos datos pueden encontrarse en la Referencia 1. Las siguientes secciones proporcionan una descripción general de las impurezas de las aguas residuales como base para el análisis del método de tratamiento. 

Sólidos suspendidos

La materia particulada arrastrada en agua se conoce como sólidos suspendidos; el término de informe analítico es sólidos suspendidos totales (total suspended solids, TSS). El control de sólidos suspendidos es importante para minimizar las acumulaciones de lodo en la descarga de la planta y para evitar que los materiales tóxicos arrastrados se descarguen con los sólidos. El TSS puede ser un requisito de informe y es un método para evaluar el rendimiento de los sistemas de coagulación/floculación química, sistemas de filtración y sistemas de tratamiento de lodos activados.

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Aceite y grasa

El aceite y la grasa se refieren a las grasas, aceites, ceras y otros materiales relacionados que se encuentran en las aguas residuales. El análisis de aceite y grasa (O&G) identifica estos contaminantes que pueden estar presentes en la descarga de aguas residuales. La reducción de aceite y grasa a menudo se requiere corriente arriba de los sistemas de tratamiento de aguas residuales biológicas, ya que el exceso de O&G puede ensuciar los equipos y reducir la eficiencia de captación de oxígeno de los microorganismos de lodo activados.  

Las secciones posteriores de este capítulo analizan las técnicas de desnatación de aceite y flotación de aire disuelto (DAF) para la eliminación de O&G.

pH

Muchos flujos de aguas residuales contienen compuestos ácidos o alcalinos (básicos). Estos pueden dañar gravemente a los organismos acuáticos. Un rango común de pH de descarga de NPDES es de 6,0 a 9,0. (Algunas pautas locales o regionales pueden tener un rango ligeramente diferente).

Biocidas residuales

El Capítulo 7 proporcionó detalles sobre la alimentación de biocidas oxidantes y no oxidantes para el control de la contaminación microbiológica del sistema de enfriamiento. La reducción de las concentraciones residuales de biocidas en la descarga de la planta puede ser necesaria para algunos sistemas de aguas residuales.

Carbono orgánico

En refinerías, plantas petroquímicas e instalaciones relacionadas, los productos químicos orgánicos a menudo aparecen en los flujos de aguas residuales. Estos compuestos pueden variar desde moléculas pequeñas hasta cadenas grandes, y algunos pueden ser directamente tóxicos para las criaturas acuáticas, los animales y los seres humanos. Además, los productos orgánicos y O&G (y nutrientes como nitrógeno y fósforo) influyen directamente en la demanda bioquímica de oxígeno (biochemical oxygen demand, BOD) y la demanda química de oxígeno (chemical oxygen demand, COD) de las aguas receptoras.

La prueba BOD₅ mide las cargas de contaminantes orgánicos en aguas residuales. Según la Referencia 2, la BOD “se mide comúnmente determinando la cantidad de oxígeno utilizado por organismos acuáticos adecuados durante un período de cinco días mientras se descomponen contaminantes orgánicos”. Las pruebas BOD generalmente son necesarias para el efluente de aguas residuales industriales y municipales. Muchas plantas industriales no cuentan con personal o equipos capacitados para realizar análisis de BOD₅ y deben enviar muestras a un laboratorio certificado.

La prueba de COD emplea un fuerte oxidante químico, dicromato de potasio, para oxidar la materia orgánica de todo tipo. Típicamente, los análisis de COD producen una lectura más alta que los resultados de BOD porque más compuestos están químicamente oxidados que biológicamente oxidados. Los análisis de COD pueden realizarse en dos o tres horas y son un parámetro importante para monitorear el rendimiento del tratamiento de aguas residuales. Empresas como Hach ,CHEMetrics y Cole Parmer ofrecen equipos analíticos para realizar análisis de muestras de COD en el sitio. 

Especies de nitrógeno y fósforo 

Las especies de nitrógeno (principalmente amoníaco y nitrito/nitrato) y fósforo (como fosfatos) proporcionan nutrientes primarios a los microorganismos y crean demanda de oxígeno en el flujo receptor si se descargan directamente a los cuerpos receptores de agua. Las proliferaciones de algas tóxicas se han convertido en un problema importante en muchas áreas del país y están fuertemente correlacionadas con las descargas de nutrientes y las aguas receptoras. Las fuentes no puntuales (escorrentía agrícola, etc.) proporcionan una porción significativa de nutrientes que finalmente se descargan a las aguas receptoras, aunque es bastante difícil de medir y manejar. Las fuentes puntuales (instalaciones industriales, trabajos de tratamiento de propiedad pública, etc.) suelen ser más fáciles de monitorear para detectar nitrógeno y fósforo y, por lo tanto, se regulan más fácilmente. 

Por el contrario, el amoníaco y el fósforo son nutrientes necesarios para el tratamiento de aguas residuales de lodo activado, y la alimentación directa de estos nutrientes puede ser necesaria para mantener la relación BOD:N:P óptima y garantizar un funcionamiento confiable.

Se dispone de pruebas analíticas simples para la medición de estos compuestos. 

Metales 

La descarga de metales pesados ha sido objeto de un mayor escrutinio por parte de la EPA, los trabajos de tratamiento de propiedad pública (public-owned treatment works, POTW) y las agencias reguladoras estatales durante las últimas décadas debido a la toxicidad material a extrema de algunos elementos; el mercurio es el más conocido. Los límites de descarga para muchos metales están en un rango bajo de microgramos por litro (μg/l, equivalente a partes por billón), o incluso nanogramos por litro (ng/l, equivalente a partes por billón) para mercurio. 

Las industrias más responsables de la descarga de metales incluyen: 

• Fabricantes de metales (acero, aluminio, cobre, etc.)
• Instalaciones de revestimiento 
• Plantas eléctricas a carbón 
• Refinerías 
• Incineradores 
• Minas 

Los metales y metaloides más comunes que pueden ingresar a las corrientes de aguas residuales, dependiendo del proceso o procesos industriales, son:

Tabla 1-1. Transición común y metales pesados en corrientes de aguas residuales

Los elementos pueden existir en estados disueltos y de partículas, con la precipitación como un proceso de remoción común. Esta química se describe en una sección posterior. Ahora, examinaremos los métodos típicos de tratamiento primario para sólidos suspendidos y eliminación de O&G.

MONITOREO DE METALES DE DESCARGA DE PLANTAS INDUSTRIALES Y CARBONO ORGÁNICO TOTAL

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Tratamiento primario de aguas residuales

Los métodos óptimos de tratamiento de aguas residuales variarán 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 reducen el TOC, la BOD y la 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 selección 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.

Extracción de aceite y grasa 

A menudo, muchos O&G flotan libremente. Se dispone de procesos directos para eliminar este material, incluidos separadores de la industria del petróleo estadounidense (American Petroleum Industry, API), interceptores de placa paralelos (PPI) e interceptores de placa corrugados (CPI). Examinaremos los procesos API y PPI para ilustrar los mecanismos fundamentales de eliminación de aceite.

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 separador 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.

Segunda etapa del tratamiento primario

Flotación por aire disuelto 

Con frecuencia, se necesita un paso adicional para eliminar los residuos aceitosos de las aguas residuales. La tecnología de flotación de aire proporciona este tratamiento. El método principal y el enfoque de esta sección es la flotación de aire disuelto (DAF), pero la tecnología de flotación también incluye la flotación de gas disuelto (DGF), la flotación de gas inducida (IGF) y, en menor medida, la flotación de aire suspendido (SAF). A continuación, se muestran dos diseños comunes de DAF, las configuraciones de inyección de aire de reciclaje e inyección de aire de flujo completo.

Figura 8.5.a. DAF con inyección de aire en la línea de reciclaje.

Figura 8.5.b. DAF con inyección de aire en la línea de entrada.

El aire inyectado genera muchas burbujas pequeñas que se adhieren a partículas emulsionadas y pequeños sólidos suspendidos, lo que hace que floten en la superficie. A partir de allí, los sólidos se recolectan para su eliminación. A continuación se incluye un breve examen de los componentes individuales de una unidad DAF.

Adición de coagulante/floculante

El tratamiento coagulante/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. 

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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. 

Reciclaje frente a inyección de aire de flujo completo

Las unidades DAF tienen una línea de reciclaje, cuyo flujo, según el diseño del sistema, puede variar de 30 por ciento a casi el máximo. La mayoría de los diseños tienen inyección de aire en el bucle de reciclaje. El rango típico de presión del flujo de reciclaje es de 30 a 90 psig, de modo que el flujo libera burbujas de aire cuando ingresa al recipiente DAF. Las burbujas en aumento a menudo exhiben un efecto de “agua blanca” que es claramente visible en la superficie. La flotación crea una capa superficial de sólidos aceitosos que se concentra y espesa a medida que fluye por la longitud de la cámara.  

Los sistemas de presurización de flujo completo tienen inyección de aire en la entrada del DAF. Este diseño limita la presión de alimentación a aproximadamente 50 psig, lo que reduce la cantidad de aire que ingresa a la solución (en comparación con la configuración de reciclaje). Una posible preocupación es que la presurización de flujo completo crea condiciones turbulentas en la célula de flotación que, en sistemas con alimentación coagulante/flocculante, pueden dañar los flóculos. 

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 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 de extremo muerto. 

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

Las válvulas de alivio minimizan la acumulación de presión.

Saturación de aire en el extremo muerto 

Una variación del diseño anterior es la saturación de aire de extremo muerto. En estos sistemas, el aire comprimido se inyecta en un recipiente a presión para formar una almohadilla de aire. Con el tiempo, el aire se disuelve en el agua circulante. Este diseño es común para el tratamiento de agua industrial y genera microburbujas más pequeñas en una cantidad mayor que los sistemas de saturación de extremo abierto. 

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/sólidos ocurren 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 tasa de reciclaje depende de la solubilidad del aire y la concentración de sólidos en el flujo de residuos; la tasa 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/ft², puede ser de hasta 16 gpm/ft². Más comúnmente, es inferior a 5 gpm/ft²
  • 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 un transportador de vuelo accionado por cadena con paletas y un mecanismo de accionamiento accionado por temporizador de velocidad variable. El diseño de velocidad variable permite un mejor control del grosor de la capa flotante y del 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 como una 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.

Métodos de tratamiento de metales pesados

Una sección introductoria de este capítulo enfatizó los límites muy bajos para las concentraciones de descarga de metales. El método común para la eliminación de metales pesados es la precipitación, ya sea como hidróxido o sulfuro. 

Hay varios compuestos alcalinos disponibles para la precipitación de hidróxido. Estos incluyen cal (Ca(OH)₂), cáustico (NaOH), ceniza de soda (Na₂CO₃) e hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂). 

Las ventajas de la precipitación de hidróxido incluyen:

• Facilidad de automatización
• Bajo costo
• El proceso no utiliza ni genera compuestos altamente tóxicos, en comparación con la precipitación de sulfuro, aunque la cáustica y la cal deben manipularse con cuidado.

Existen algunas desventajas, entre ellas:

• Difícil de eliminar múltiples metales por solubilidad variable en función del pH. (Esto se ilustra en la siguiente figura).
• Puede ser ineficaz en metales complejos, es decir, metales unidos a agentes quelantes naturales o artificiales.
• Alto volumen de lodo
• Los metales se filtran más fácilmente de los precipitados de hidróxido que de los precipitados de sulfuro. 

La siguiente tabla muestra el pH óptimo para la precipitación de hidróxido de muchos de los metales enumerados en la Tabla 1-1.

Figura 8.8. Influencia del pH en la precipitación de metales.

Un examen minucioso de esta tabla revela varios detalles importantes. Primero, el pH para la solubilidad mínima de cada metal cubre una amplia gama. En segundo lugar, algunos metales, y más notablemente el cromo, el zinc y el plomo son anfotéricos, lo que significa que la solubilidad aumenta tanto a pH bajo como alto, con un punto óptimo intermedio. (El cobre y el cadmio también exhiben propiedades anfotéricas, que no se muestran en el gráfico). En tercer lugar, la precipitación de hidróxido es mucho más eficaz para algunos metales que para otros. Por ejemplo, compare el níquel y el cadmio con el plomo, teniendo en cuenta que este es un gráfico semilogarítmico.

Una respuesta a algunas de las inquietudes de precipitación de hidróxido (con advertencias) es la precipitación de sulfuro, como se describe en la Figura 8.9.

Figura 8.9. Una comparación de las solubilidades de sulfuro frente a hidróxido para varios metales pesados.

El sulfuro forma compuestos altamente insolubles con muchos metales y, aunque no se muestra en la Figura 8.9, el sulfuro mercúrico (HgS) es el menos soluble de todos los precipitados. En muchos casos, el enlace metal-sulfuro es tan fuerte que la reacción extraerá incluso metales quelados. 

En el pasado, el sodio inorgánico y los sulfuros ferrosos eran los compuestos comunes para generar precipitados en un clarificador o recipiente de reacción. Sin embargo, esta química no está exenta de problemas. Algunos sulfuros inorgánicos son bastante tóxicos y deben manipularse con extremo cuidado. El exceso de residuos de sulfuro en el lodo del clarificador puede impartir características peligrosas. Y, si el pH cae por debajo de 8 en el proceso de tratamiento, el sulfuro de hidrógeno maloliente puede evolucionar. Finalmente, la reacción sulfuro-metal puede ser tan rápida, por ejemplo, con mercurio, que los precipitados de tamaño fino pueden escapar con el efluente clarificador.

Una respuesta a estos problemas ha llegado con el desarrollo de polímeros floculantes que contienen grupos de sulfuro.

Figura 8.10. Esquema de una cadena de polímeros con grupos de sulfuro.

Los polímeros no son tóxicos, se unen fuertemente a los metales y salen del clarificador con otros lodos. Uno de los primeros usos para estos compuestos fue la eliminación de mercurio de los flujos de residuos de desulfuración de gases de combustión húmedos (WFGD) en plantas de energía alimentadas con carbón.

Eliminación de selenio 

Otro elemento problemático es el selenio . 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 oxígeno, y los aniones comunes son 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 la tecnología ChemTreat 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 los sistemas de clarificadores aguas abajo que incluyen una prensa de filtro para deshidratar lodos. Los datos de las pruebas del Procedimiento de lixiviación característica de toxicidad (Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP) han demostrado que el lodo deshidratado es bastante estable y se puede verter como residuo no peligroso.

UN PROCESO NO BIOLOGICO PARA REMOCIÓN DE SELENIO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

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Tratamiento secundario de aguas residuales

Muchos procesos industriales generan aguas residuales con contenido orgánico significativo. Algunos ejemplos incluyen azúcar, papel, productos farmacéuticos, solventes, petroquímicos, productos crudos, intermedios y terminados de refinería, entre 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.

El proceso biológico fundamental 

El tratamiento de aguas residuales biológicas emplea microorganismos naturales, principalmente bacterias, para convertir el material orgánico en bacterias adicionales, dióxido de carbono y agua. 

Carbono orgánico + nutrientes + bacterias + oxígeno → CO2 + H2O + más bacterias

Generalmente, alguna fracción del carbono orgánico se oxida en dióxido de carbono, mientras que la fracción restante se convierte en bacterias nuevas. Típicamente, 1 libra de BOD genera aproximadamente ½ libra de sólidos bacterianos. En algunos casos, debido a que las bacterias son naturales y no son peligrosas para la salud humana, pueden desecharse en un vertedero o suministrarse como fertilizante para vegetación no comestible.

Las bacterias de tratamiento de aguas residuales requieren alimentos, nitrógeno (principalmente como amoniaco) y fósforo (principalmente como ortofosfato), generalmente en una proporción de 100:5:1 C:N:P, para crecer. Muchas aguas residuales, y especialmente los suministros municipales, tienen suficiente nitrógeno y fósforo. En otros, el nitrógeno suplementario en forma de amoníaco acuoso o urea puede cumplir con los requisitos de nitrógeno. El ácido fosfórico es un aditivo común para el fósforo suplementario. 

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 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 generalmente están 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 “deteriorado” 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 la 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 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 lodo para reducir el volumen, seguida del secado de lodo. Están disponibles los procesos de digestión de lodos aeróbicos y 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 considerablemente su volumen. El proceso libera sulfuro de hidrógeno (H₂S) y metano (CH₄). Algunas plantas queman estos gases, pero otras limpian 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.  

Sistemas de tratamiento de crecimiento adjuntos 

El tratamiento biológico de crecimiento adjunto es bien conocido y ha existido durante décadas. Estos sistemas contienen material interno fijo al que se adhieren las bacterias para formar una biopelícula. A medida que el agua fluye sobre la biopelícula, las bacterias consumen los orgánicos. Al igual que con el lodo activado, las bacterias muertas se eliminan de las aguas residuales mediante sedimentación y filtración. Un diseño temprano fue el método de “filtro de truco”. Las tecnologías más modernas incluyen:

• Filtro aireado biológico (BAF)
• Contactor biológico giratorio (RBC)
• Biorreactor de membrana (MBR)
  • Tradicionalmente, los MBR se consideran sistemas de procesos de crecimiento suspendidos. Sin embargo, los sistemas de MBR más nuevos pueden incluir componentes de crecimiento conectados que pueden resultar en la clasificación como un sistema de crecimiento conectado.   
• Biorreactor de lecho móvil (MBBR)

Examinaremos estas tecnologías más nuevas después de una breve descripción general del diseño de la cama de goteo.

Figura 8.14. Esquema del filtro de la cama de trucos.

Un filtro de goteo es simplemente un tanque lleno de grava o medios plásticos empacados sueltos donde las aguas residuales crudas se pulverizan uniformemente sobre la cama y se dejan pasar por un sistema de recolección en la parte inferior. La mayoría de los diseños incluyen orificios de ventilación o ranuras cortadas en el costado del tanque, con aire aspirado por convección natural para fluir contracorriente hacia las aguas residuales. La reducción de BOD₅ del setenta y cinco por ciento es común con un filtro de goteo.

Filtro aireado biológicamente (BAF) 

Los dos tipos de estilos BAF, flujo ascendente y flujo descendente, se describen en la Figura 8.15.

Figura 8.15a y b. Esquema general de los BAF de flujo ascendente y descendente.

En ambos sistemas, el agua pasa a través de medios de poliestireno o materiales naturales (arcilla, esquisto o piedra), dispuestos en células. Las celdas pueden retirarse de servicio o reiniciarse para adaptarse a volúmenes de flujo variables y a la calidad del agua afluente. Aunque el medio proporciona cierta filtración para partículas grandes, la filtración primaria y la reducción de impurezas (carbono orgánico y amoníaco) provienen de los microorganismos unidos al medio. Se inyecta aire en la parte inferior de la unidad para proporcionar suficiente oxígeno. Como lo indica la Figura 8.15, en los diseños de flujo ascendente, el aire y las aguas residuales se desplazan en forma simultánea, mientras que en la configuración de flujo descendente, el flujo es contracorriente. Cada uno ofrece sus propias ventajas. Las unidades de flujo ascendente pueden manejar caudales de afluente más altos que los diseños de flujo descendente, y no tienden a formar bolsas de aire, ya que el agua barre el aire en la dirección en que naturalmente desea viajar. Los tiempos de ejecución son más largos en este diseño. La descarga de aire se encuentra en el extremo tratado del recipiente y, por lo tanto, tiene una concentración reducida de compuestos volátiles olorosos.

En los BAF de flujo descendente, las bacterias nitrificantes en las secciones inferiores del filtro tienen un fuerte suministro de oxígeno para convertir el amoníaco en nitratos. Las celdas pueden lavarse a contracorriente y enjuagarse minuciosamente durante el funcionamiento regular, y utilizan una combinación de aumento del flujo de agua y limpieza de aire durante el retrolavado para aflojar y enjuagar los residuos del recipiente.

Una ventaja de la tecnología BAF sobre el tratamiento secundario convencional es una huella mucho más pequeña. Esto es cierto para los otros métodos descritos en las siguientes secciones. Además, las unidades BAF pueden manejar amplias variaciones en el flujo de agua y la temperatura. Los sistemas automatizados reducen los requisitos de mano de obra para la operación y el mantenimiento, pero los operadores deben estar completamente capacitados en todos los aspectos del sistema de control.

En algunos casos, el efluente de BAF es de calidad suficiente para ser descargado inmediatamente, mientras que a veces puede ser necesario un tratamiento adicional con filtros de disco o un clarificador.

Contactor biológico giratorio (RBC) 

En un RBC, el medio consiste en muchos discos corrugados de plástico estrechamente espaciados alineados uniformemente a lo largo de un eje central. Los discos giran lentamente a través de una cuba de aguas residuales que fluyen, lo que permite que las bacterias se sumerjan durante aproximadamente la mitad del período de rotación. A medida que las bacterias giran fuera de las aguas residuales, se exponen al aire y recogen el oxígeno necesario para metabolizar el material orgánico. Al igual que en el caso de un filtro de goteo, se puede lograr una reducción de aproximadamente el 75 % de BOD₅.  

Figura 8.16. Esquema de RBC.

Los RBC tienen una huella pequeña y ofrecen bajo costo inicial, bajo consumo de energía y mantenimiento directo. Sin embargo, son marginalmente eficaces para eliminar los orgánicos principalmente responsables de la BOD y la COD, y durante las alteraciones pueden liberar sólidos suspendidos. 

La limpieza en línea generalmente no es una característica de estas unidades, sino que el reemplazo de disco es el proceso para restaurar la eficiencia.

Biorreactores de membrana 

Un biorreactor de membrana (MBR) es un método avanzado para eliminar el material orgánico soluble de las aguas residuales. Sin embargo, en lugar de una cuenca de sedimentación o clarificador, los MBR utilizan membranas de ultrafiltración o microfiltración para filtrar los sólidos suspendidos del licor mezclado. El MBR puede producir un efluente cristalino. El diseño MBR más básico se muestra en la Figura 8.17.

Figura 8.17. Esquema básico de MBR.

Al igual que con las otras tecnologías modernas descritas en esta sección, MBR tiene una huella mucho más pequeña que un sistema de lodo activado convencional con clarificador. Es posible que haya concentraciones más altas de MLVSS, lo que reduce el volumen del tanque de aireación. Las técnicas de control del proceso de MBR son similares a las del lodo activado convencional, donde el operador ajusta el caudal de WAS para mantener la concentración deseada de bacterias en el tanque de aireación.

Estas unidades pueden manejar el trabajo cíclico mucho mejor que un sistema convencional. Si el MBR debe estar fuera de línea durante varios días, la salud de los microbios puede mantenerse alimentando materiales orgánicos simples como melaza.

Normalmente, se requiere la limpieza de la membrana cuando la presión transmembrana ha aumentado aproximadamente 5 kPA por encima del valor inicial. Para este fin, es común contar con un sistema de limpieza in situ (Clean-in-place, CIP). La selección correcta de productos químicos es importante para una limpieza eficaz. Los blanqueadores y los cáusticos son típicos de los contaminantes orgánicos, mientras que para la materia inorgánica, incluidas las partículas de óxido de hierro, una solución que contiene ácido oxálico o cítrico puede ser la mejor. En algunos casos, la solución de limpieza usada puede considerarse un residuo peligroso. Consulte con el fabricante de la membrana para conocer las pautas de limpieza específicas. 

La siguiente figura describe una configuración de MBR con filtración por membrana externa.

Figura 8.18. MBR con filtración externa.

Observe la zona anóxica en esta figura. Este recipiente de reacción es un paso agregado para la eliminación mejorada de especies de nitrógeno, y se analizará con mayor detalle más adelante.

Aunque la tecnología MBR ofrece varias ventajas, los módulos de membrana pueden ser costosos y, por lo general, deben reemplazarse cada 5 a 10 años. 

Biorreactor de cama móvil (MBBR) 

Un MBBR contiene medios móviles (discos de plástico) que se mueven en el recipiente de reacción. Los microbios se adhieren a los medios y consumen orgánicos y nutrientes a medida que circulan. La gran superficie del medio proporciona una excelente interacción entre las bacterias y las impurezas.

Figura 8.19. Esquema MBBR con zona anóxica.

Figura 8.20 Medios comunes de MBBR.

Los recipientes de reacción a menudo tienen mezcladores; aunque en los recipientes aireados, la inyección de aire ayuda a mantener los portadores de plástico en constante movimiento. Al igual que con el MBR, el proceso puede tener varias etapas para eliminar múltiples impurezas. 

Las bacterias pueden desarrollar una carga superficial electrostática positiva que se regenera biológicamente como iones de amonio (NH₄⁺). Los iones de amonio se convierten posteriormente en nitrato. El rango de pH óptimo para esta bioquímica es de 7,2 a 7,5.

Si bien algunos diseños de MBBR tienen clarificadores para el pulido de efluentes, la filtración por membrana también es viable. Cualquiera de los dos debe ser externo a los tanques de reacción.

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.
• Suficiente alcalinidad al 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 de agua receptor, 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 en 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/NO₂ de la conversión de amoníaco en la cuenca de aireación y se recicla nuevamente en la cuenca anóxica para su desnitrificación. En última instancia, el proceso alcanza un estado estacionario, lo que resulta en una concentración relativamente baja de NO₃/NO₂ del efluente.

Tratamiento terciario de aguas residuales

El tratamiento terciario mejora la calidad de las aguas residuales para que sean adecuadas para la descarga en corrientes receptoras o la reutilización en aplicaciones de agua industrial. El proceso de desnitrificación biológica descrito anteriormente es un ejemplo de tratamiento terciario. Otros procesos incluyen filtración de medios, filtración de carbón activado y desinfección.

Filtración

Es posible que los medios y los métodos de filtración de carbón activado no sean necesarios si los niveles de partículas están por debajo de los límites de descarga, pero si la filtración es necesaria, es importante realizar una evaluación exhaustiva de las condiciones del efluente para seleccionar la tecnología más eficaz.

Desinfección 

Para las aguas residuales municipales, la desinfección para matar patógenos es necesaria para evitar su liberación al medio ambiente. Muchas aguas residuales industriales pueden no contener patógenos, pero si se requiere desinfección, los métodos primarios incluyen cloración, tratamiento con peróxido de hidrógeno y exposición a radiación ultravioleta.

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.

Peróxido de hidrógeno 

El peróxido de hidrógeno (H₂O₂) es un oxidante fuerte y de acción rápida que reacciona rápidamente para matar microorganismos, incluidos virus y bacterias. Los subproductos de H₂O₂ son oxígeno y agua, por lo que los problemas de efluentes no existen. Las desventajas incluyen procedimientos de manipulación complicados y costosos sistemas de alimentación.

Desinfección ultravioleta 

La desinfección ultravioleta (UV) inactiva los microorganismos. UV ofrece simplicidad, evita la manipulación de productos químicos y no produce subproductos de desinfección. Sin embargo, la luz UV debe penetrar a través de las aguas residuales, lo que puede ser problemático para grandes volúmenes o si el agua está turbia. Las instalaciones UV requieren vertederos o portones para controlar el nivel y la velocidad de las 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 de aguas residuales comunes 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, lo que produce un filtrado con menor TSS. Los floculantes aniónicos pueden ser más efectivos para la deshidratación de lodos inorgánicos, mientras que los floculantes catiónicos pueden ser más adecuados para la sedimentación y deshidratación 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.
Las pruebas en frascos con la ayuda de un proveedor de productos químicos para el tratamiento del agua son muy importantes para seleccionar los productos químicos y las dosis adecuadas para una clarificación y acondicionamiento de lodos eficientes. Una vez que las pruebas de 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 donde se requiere el desaguado de lodo, optimizar el proceso de desaguado 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 banda 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 cinta transportadora es el tornillo helicoidal en el centro de la máquina.

La rotación rápida 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 del tazón 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, según 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 pasteles. 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 tela para eliminar los sólidos que no se liberan durante la generación normal de pasteles. 

Filtros de vacío 

A continuación se muestra la configuración típica del tambor de vacío.

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 el pastel a un raspador con una tolerancia ajustada al paño de filtro para que 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, que es necesario para establecer un grosor de torta uniforme.

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.
• Aplicó vacío. 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.

Cero descarga de líquido

Las regulaciones de descarga de plantas industriales se han vuelto cada vez más estrictas desde que se introdujo por primera vez la Ley de Agua Limpia (1972). Como se señaló anteriormente en este capítulo, los límites en algunos componentes tales como metales pesados pueden estar en concentraciones bajas de ppb, e incluso más bajos para elementos especialmente peligrosos tales como mercurio. La descarga de cero líquidos (ZLD) puede ayudar a mitigar parte de la incertidumbre en torno al cumplimiento de los efluentes de aguas residuales. Además, algunas plantas han adoptado el ZLD por necesidad debido a la escasez de agua actual o casi futura. Cada paso en un proceso de ZLD generalmente se vuelve cada vez más costoso y requiere mucho mantenimiento/mano de obra. El diseño riguroso del sistema y el compromiso meticuloso por parte de la gerencia de la planta con los detalles operativos y de dotación de personal generalmente determinan el éxito o el fracaso de un proyecto. 

Esta sección examina varias de las configuraciones de ZLD más comunes e ilustra algunos de los principales problemas para lograr ZLD. También analizamos los sistemas ZLD casi cero, en los que se genera una corriente final, pequeña y que cumple con las normas de descarga, mientras que los valiosos componentes de la corriente recuperada se reciclan en un proceso de planta.

Configuraciones de 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 ósmosis inversa 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 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 el Capítulo 6 para 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, la clarificación suavizante produce grandes cantidades de lodo.

Numerosas lecciones de diseño y operativas 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.

ZLD casi cero

Los ejemplos resaltados en las figuras anteriores ilustran un ZLD completo para eliminar toda la descarga de agua líquida, excepto quizás por una ligera humedad dentro del lodo deshidratado. Los ajustes de configuración pueden proporcionar ZLD casi cero en el que el sistema conserva y recicla agua, pero también recupera un subproducto valioso para su reutilización en la planta. El RO se utiliza para concentrar la solución salina a un volumen mucho menor, seguido de electrólisis de la solución concentrada para generar ácido cáustico y sulfúrico. El líquido restante es una corriente pequeña y purificada. Otra aplicación implica concentrar compuestos orgánicos en un volumen más pequeño, con eliminación de impurezas de seguimiento mediante carbón activado granular (granular activated carbon, GAC) o tal vez una resina de intercambio iónico especializada que luego puede llevarse a una instalación de eliminación permitida.

Los ejemplos de esta sección describen varias tecnologías en evolución para reducir aún más la descarga de impurezas dañinas al medio ambiente. Pero el diseño, la instalación y la operación de ZLD requieren una atención rigurosa a los detalles de principio a fin. El costo del fracaso puede ser astronómico.

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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Referencias

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2. Manahan, S.E., Fundamentals of Environmental Chemistry, CRC Press LLC, Boca Raton, FL, 1993.
3. Ross, Charles C., Brandon M. Smith y G. Edward Valentine. “Repensar el diseño de flotación de aire disuelto (DAF) para el pretratamiento industrial”. Conferencia Técnica de Residuos Industriales de WEF y Purdue University. 2000.
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5. Edzwald, J. K., y Haarhoff, J. (2012). flotación de aire disuelto para clarificación de agua. McGraw-Hill. Buecker, B., Belden, J. e I. Mello, “Química del hierro y el peróxido: Un arma común para combatir varios problemas de plantas de tratamiento de aguas residuales”; WaterWorld , noviembre 2019.
6. K. Boudreaux, “Capacitación ZLDS”; Presentación de capacitación técnica de ChemTreat.
7. Información proporcionada por Alfonso Salinas, ChemTreat.
8. S. Ottewell, “Tecnología de aguas residuales: Desarrollos Disminuyen la Descarga”; Informe matutino de procesamiento químico, 15 de marzo de 2022.

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 de equipos 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 desatasca 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 corriente lateral es el diseño más antiguo y común.

Figura 8.1.1. Esquema de una cabina de giro lateral.

El aire entra en 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 frota el exceso de pulverización, con descarga a un sumidero. El sumidero descarga a una unidad de recolección de pintura para eliminar la pintura, con retorno de agua limpia 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 corriente 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 tipo laca que se curan por 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 destacar 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 floc de clavos 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 retirarse 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 los floculantes catiónicos para pinturas a base de agua. La dosificación 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 se puede hacer aumentando la alcalinidad del agua, teniendo cuidado de permanecer dentro del rango operativo de pH requerido. La ceniza 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 hidrofóbicos de las moléculas se unen a las gotas de pintura, mientras que los extremos hidrofílicos 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 sistemas recién llenados, cuando la pintura es esporádica o en sistemas donde la pintura desatackada 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 especializadas de tratamiento de aguas residuales que existen en diversas industrias. La evaluación cuidadosa y la recopilación de datos son imprescindibles para elegir programas de tratamiento efectivos.

Acerca de los autores

Jean M. Gucciardi

Consultor de personal técnico de ChemTreat, jubilado

Jean Gucciardi trabajó en el tratamiento de agua industrial durante casi cuatro décadas, centrándose en aplicaciones de aguas residuales, refrigeración, calderas e influentes. Gucciardi fue publicada en múltiples publicaciones de la industria a lo largo de su carrera. Obtuvo una licenciatura y una maestría en Ingeniería Ambiental de la Universidad de Wisconsin.

David Marturana

Consultor técnico sénior

Dave Marturana ha estado trabajando en el tratamiento industrial del agua desde 1981 y se unió a ChemTreat en 2008. Tiene una licenciatura en Ingeniería Química y es ingeniero profesional con licencia en la Mancomunidad de Pensilvania. Marturana, consultora de aplicaciones para el tratamiento de agua de efluentes industriales y afluentes, tiene amplia experiencia en la selección y optimización de coagulantes y floculantes, tratamiento de aguas residuales biológicas y primarias, tratamiento municipal de aguas grises y aplicaciones de deshidratación de lodos.

María Muniz

Director, Polímeros y Tratamiento previo

Maria Muniz, directora de polímero y pretratamiento, ha estado trabajando en el tratamiento industrial y de aguas residuales desde 1990, centrándose en las industrias petroquímica, de acero, automotriz y de alimentos y bebidas. Su experiencia en aplicaciones incluye separación de sólidos y líquidos, tratamiento secundario y gestión de sólidos y deshidratación en industrias livianas y pesadas tanto en los EE. UU. como a nivel internacional.

Alfonso Salinas

Director, Tecnología polimérica

Alfonso Salinas, director de Tecnología Polimérica, se especializa en el diseño, la construcción y la operación de procesos de tratamiento de agua y aguas residuales, y tiene experiencia directa en instalaciones de tratamiento con capacidad de flujo de entre 1 y 114 mgd. Sus áreas de experiencia también incluyen biológica, coagulación-floculación, deshidratación de lodos, eliminación de metales, filtración, intercambio de iones, calderas y enfriamiento, pruebas de frascos y pruebas de laboratorio. Salinas tiene una licenciatura en Ingeniería Civil y una licenciatura en Ingeniería Ambiental en M.Sc.

Reconocimiento

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