nuevas tendencias para los sistemas de tratamiento de...
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Nuevas tendencias para los sistemas
de tratamiento de aguas industriales
ING. EMILIO JAVIER MANRIQUE RAMÍREZ COLEGIO DE INGENIEROS AMBIENTALES DE MÉXICO, A.C.
ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS, IPN
INTRODUCCIÓN.
Los niveles de tratamiento de agua
residual, están asociados tanto a la
calidad del afluente por tratar, como a la
calidad requerida del efluente tratado.
Las directrices y las recomendaciones
para el control de la contaminación en
materia de agua incide en la selección
de los sistemas de tratamiento.
*Norma en revisión.
Normatividad más estricta
Nuevos contaminantes (emergentes)
Reducción de costos
Reducción de GEI
Reutilización hasta uso potable
¿Por qué la necesidad de nuevas tendencias?
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DE AGUA AL RÍO ATOYAC
[INECC, 2011]
Metas de calidad del agua por zonas clasificadas
Parámetro (mg/L)
ZONA
1-6 3 NOM-001-SEMARNAT- 1996
Río Atoyac Río Xochiac LMP descarga a Ríos columna C
Temperatura (°C) <35 <35 40
Grasas y aceites 5.0 8.0 15
Materia flotante ausente ausente ausente
Sólidos sedimentables (mL/L) < 1 < 1 1
Sólidos suspendidos totales 56.4 97.5 40
Demanda bioquímica de oxígeno (5 días) 20.0 84.9 30
Nitrógeno total 5.0 7.6 15
Fósforo total 0.73 1.43 5
Demanda química de oxígeno 40 141 *
Sólidos disueltos totales 500 500 *
Color (Pt - Co) < 15 < 15 *
Mercurio 0.001 0.001 0.005
Níquel 0.60 0.60 2
Plomo 0.03 0.03 0.2
Zinc 0.12 0.12 10
Coliformes fecales (NMP/100 ml) <200 <200 *
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DE AGUA AL RÍO ATOYAC 2030
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DE AGUA AL RÍO ATOYAC 2030
Metas de calidad del agua por zonas clasificadas
Parámetro (mg/L)
ZONA
1-6 3 NOM-001-SEMARNAT- 1996
Río Atoyac Río Xochiac LMP descarga a Ríos columna C
Huevos de helminto (huevo/L) 0 - 1 0 - 1 *
Fierro 0.30 0.30 *
Cloruros 250 250 *
Benceno 0.01 0.01 *
Tolueno 0.20 0.20 *
Etilbenceno 0.1 0.1 *
Xilenos 0.3 0.3 *
Toxicidad aguda (Vibrio fischeri y
Daphnia magna) (unidades de toxicidad) < 1 < 1 *
1,2 Diclorobenceno 0.01 0.01 *
1,3 Dicloro benceno 0.01 0.01 *
Bis 2 (etil hexil) ftalato 0.003 0.003 *
Dietilftalato 0.003 0.003 *
Nitrobenceno 0.03 0.03 *
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DEL RÍO COATZACOALCOS
Río Coatzacoalcos
Afluente, río Calzadas
Afluente, río Gopalapa
Afluente, arroyo Teapa
CUERPOS DE AGUA
CONSIDERADOS EN
LA DECLARATORIA
[SEMARNAT, 2008]
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DEL RÍO COATZACOALCOS
Plazos de
cumplimiento
Descargas no
municipales
(Carga contaminante)
Plazos de cumplimiento
DBO
(ton/día) SST (ton/día) Plazo 1 Plazo 2 Plazo 3
Mayor a 3 Mayor a 3 NOM-001-
SEMARNAT-1996
1 de enero de
2013
1 de enero de
2018
De 1.2 a 3 De 1.2 a 3 NOM-001-
SEMARNAT-199
1 de enero de
2013
1 de enero de
2018
Menor de
1.2 Menor de 1.2 1 de Enero 2010
1 de enero de
2015
1 de enero de
2020
[SEMARNAT, 2008]
Metas de calidad del agua por zonas clasificadas
Parámetro (mg/L)
ZONA
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6
Río Coatzacoalcos Río
Calzadas
Arroyo
Gopalapa
Arroyo
Teapa
Laguna
Pajaritos
Temperatura (°C) <35 <35 <35 <35 <35 <35 <35 <35 <35 <35
Grasas y aceites 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Sólidos sedimentables (mL/L) <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
Sólidos suspendidos totales 30 34 30 33 30 30 30 30 30 55
Demanda bioquímica de
oxígeno (5 días) 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
Nitrógeno total 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15
Fósforo total 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Demanda química de oxígeno 20 35 20 20.1 26.1 54 20 20 36 99.2
Color (Pt - Co) <15 <15 <15 <15 <15 <15 <15 <15 <15 <15
Mercurio 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005
Níquel 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DEL RÍO COATZACOALCOS 2018 - 2020
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DEL RÍO LERMA
R. TURBIO
R ZULA
LAGO DE CHAPALA
R. GUANAJUATO
RÍO DUERO
GUANAJUATO
JALISCO
MICHOACÁN
QUERÉTARO
EDO. DE MÉXICO
P.A. SOLÍS. TRAMO No. 9
TRAMO No. 22
L. YURIRIA
L. CUITZEO Riego Agrícola Fuente de Abastecimiento de Agua Potable Protección de Vida Acuática en Agua Dulce
Estación de Monitoreo en el Río Lerma
[IMTA,2009]
DECLARATORIA PARA LAS DESCARGAS DEL RÍO LERMA
Parámetro 2005 2010 2020 Unidades
pH 6-9 6-9 6-9 Unidades de pH
DBO 85 80 30 mg/L
DQO 220 210 90 mg/L
SST 85 80 30 mg/L
Ssed 1.50 1.50 1.20 mL/L
GyA 2 1 0.5 mg/L
Materia Flotante Ausente Ausente Ausente
N total 30 30 15 mg/L
P Total 8 8 5 mg/L
Coliformes Totales 1000 1000 500 NMP/100 mL
CONTAMINANTES EMERGENTES
¿Qu
e so
n lo
s co
nta
min
ante
s em
erge
nte
s?
Son sustancias bioacumulables, persistentes y tóxicas
Pueden ser productos farmacéuticos, drogas,
surfactantes, aditivos y una gran variedad de compuestos
químicos
La eliminación de estos
contaminantes se puede llevar a
cabo mediante procesos
convencionales mejorados, o nuevas
tecnologías
Las corrientes de aguas residuales
con presencia de contaminantes
emergentes pueden ser tratadas por
medio de procesos fisicoquímicos y
biológicos
También pueden emplearse
sistemas de membrana para su
eliminación
(Homem y Santos, 2011).
Los tratamientos a los que se deben
someter los efluentes tienen que
garantizar la eliminación o
recuperación de los compuestos
presentes en el agua, en el grado
requerido por la legislación que
regula las descargas o para
garantizar las condiciones mínimas
del proceso en el caso de
reutilización o recirculación de la
corriente para uso interno.
La concentración máxima admisible
de contaminantes puede conseguirse
mediante la utilización de diversas
técnicas como lo son los procesos
biológicos avanzados. SISTEMAS DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL
DESNITRIFICACIÓN
En los tanques o zonas no aireados
(anaeróbicos), a las bacterias ya no se les
provee de oxígeno y por lo tanto se les obliga
a absorber nitratos (NO3-), que las mismas
descomponen para respirar el oxígeno. Emiten
el nitrógeno al agua como gas (N2), que
escapa al aire.
PROCESOS BIOLÓGICOS AVANZADOS
NITRIFICACIÓN
En el tanque de aireación, en presencia de
oxígeno, el NH4- se oxida a nitritos (NO2
-) y
después a nitratos (NO3-). Esto también se
produce de forma similar en los filtros
percoladores de rango bajo y en los reactores
biológicos de rotación.
[Ramalho, 1996, p.646]:
ELIMINACIÓN DE FÓSFORO
Los procesos para la eliminación de fósforo son
entre otros:
1) Proceso de lodos activados (DBO:100 N:5
P:1)
2) Bio-P
3) Reactor Biológico Secuencial (SBR)
4) Remoción química (coagulantes)
[Ramalho, 1996, p.642]:
PROCESOS BIOLÓGICOS CON SEPARACIÓN DE SOLIDOS CON MEMBRANAS.
BIOREACTORES DE MEMBRANA
(BRM)
Pueden definirse como una modificación de
los procesos convencionales de tratamiento
biológico donde se realiza un reemplazo de
los depósitos de sedimentación secundarios
por unidades de membrana.
El acoplamiento de una membrana en un
reactor ha suscitado un creciente interés
debido a las ventajas inherentes que el
proceso de BRM ofrece con respecto al
tratamiento convencional de lodos
activados.
APTEL, P., BUCKLEY, C. Tipos de Operaciones de Membranas. Tratamiento del Agua por procesos de membrana. Principios, procesos y aplicaciones. American Water Works Asociation Research Fundation. Madrid. McGrawHill, 1998, p.13-39
BIOREACTORES CON MEMBRANA (BRM)
Los biorreactores con membrana
(MBR) ofrecen ventajas: alta
eficiencia de remoción de SST, baja
producción de lodos y uso de
menores espacios para su
instalación.
A pesar de que la tecnología MBR
se presenta como una novedosa
forma de tratamiento de las aguas,
su investigación y comercialización
comenzó hace unos treinta años.
DIFERENCIAS ENTRE UN PROCESO
CONVENCIONAL Y BIOREACTORES DE
MEMBRANA (BRM)
APTEL, P., BUCKLEY, C. Tipos de Operaciones de Membranas. Tratamiento del Agua por procesos de membrana. Principios, procesos y aplicaciones. American Water Works Asociation Research Fundation. Madrid. McGrawHill, 1998, p.13-39
Los reactores biológicos con
membranas están considerados
como la mejor tecnología de
tratamiento biológico disponible.
Dada la retención total de la
biomasa por medio de las
membranas, se consigue un
volumen muy compacto, un alto
grado de eliminación de sólidos, una
salida del efluente libre de
microorganismos.
CARACTERISTICASLODOS ACTIVADOS
CONVENCIONAL
BIOREACTORES DE
MEMBRANA
SEPARACIÓN
SÓLIDO-LÍQUIDO
SEDIMENTADOR
SECUNDARIOMEMBRANAS UF/MF
CALIDAD EFLUENTE
CALIDAD DE
TRATAMIENTO
SECUNDARIO
CALIDAD DE
TRATAMIENTO
TERCIARIO
TAMAÑO DE LA
PLANTA DE
TRATAMIENTO
GRANDES COMPACTAS
PRODUCCIÓN DE
LODOS
0.6 Kg BIOMASA/Kg
DBO
0 - 0.3 Kg BIOMASA/Kg
DBO
CONCENTRACIÓN
DE BIOMASA2,000 - 3,000 mg/L 10,000 - 20,000 mg/L
TRC-TRH
DEPENDIENTES
tc = 3-15 d
th= 4-8 h
INDEPENDIENTES
tc = 20-40 d
th= 0.5 - 8 h
VOLUMEN DEL
REACTORGRANDE PEQUEÑO
TAMAÑO DE
FLOCULOS~60 mM ~40 mM
NECESIDADES DE
OXIGENO
MENOS
REQUERIMIENTOS
DE O2
MAS
REQUERIMIENTOS
DE O2
(NITRIFICACIÓN)
Las membranas empleadas pueden ser para micro filtración (1 - 0.1 µm), ultra
filtración (0.1 - 0.01 µm) y nano filtración (0.01 - 0.001 µm)
Pueden emplearse membranas selectivas semipermeables de ósmosis inversa con
tamaños de poro mayores a 0.001 µm
Con el empleo de las membranas mencionadas, la operación de
biorreactores de membrana se posicionan como una de las tecnologías más
competitivas para la degradación de contaminantes refractarios y emergentes.
(Homem y Santos, 2011).
Los bioreactores de membrana se componen de una unidad biológica responsable de la
degradación de compuestos orgánicos y un módulo de filtración para llevar a cabo la
separación física del licor de mezcla
La totalidad de la biomasa queda confinada dentro del sistema, proporcionando el control de la permanencia de los microorganismos en
el reactor, sin embargo no se logra su biodegradación, por lo que es necesario un
tratamiento y disposición adecuados.
Algunas de las ventajas de estos sistemas es la desinfección del agua tratada, retención de parte del sustrato coloidal por parte de la membrana,
presencia de microorganismos nitrificantes, ausencia de bulking filamentoso, rapidez de su
puesta en marcha
Reactor de filtración
interna
Reactor de filtración
externa
PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS EN MEDIO FIJO
Filtros biológicos
Filtros rociadores
Biopelícula móvil
Biopelícula Fija
Los procesos biológicos en medio fijo se caracterizan por:
• Ofrecer un medio de soporte para el crecimiento de los
microorganismos
• Concentraciones mas altas de microorganismos que los
medios suspendidos (lodos activados)
• Por las altas concentraciones de microorganismos, los
reactores tienen menor tamaño
• La cantidad de lodos purgada es mucho menor a los
de medio suspendido
• Demandan un menor consumo energético
• Pueden integrarse con sistemas MBR externos
Ahorros de energía por la construcción de reactores mas pequeños
Ahorro en la construcción de sedimentadores secundarios
Ahorro en la construcción de estructuras civiles mas pequeñas
(Flemming y Wingender, 2001).
Ventajas
• Fácil instalación
• Se promueve la nitrificación
• Gran superficie de contacto
• Se presenta mayor concentración de
microorganismos en comparación con
los sistemas convencionales de lodos
activados
• Como los sistemas son mas
pequeños, se consume menor
cantidad de energía en la alimentación
de aire
• Se pueden acoplar a sistemas de
membrana externos
Desventajas
• La etapa de pre tratamiento debe
estar bien diseñada, de lo contrario se
puede provocar excesivo
ensuciamiento en el reactor biológico
• Los difusores de aire pueden dañarse
por el contacto con el medio de
soporte móvil
• Pueden haber limitaciones
estructurales por el peso que alcanzan
los medios de soporte cuando la
biopelícula se ha desarrollado
• En algunos medios plásticos no se
desarrolla el crecimiento biológico
PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS EN MEDIO FIJO
(Helmer y Kunst, 1997; Schlegel, 1997)
IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía “Biomasa: Digestores anaerobios” BESEL, S.A. (Departamento de Energía), 2007
La digestión anaerobia es un
proceso biológico en el que la
materia orgánica, en ausencia
de oxígeno, mediante la acción
de un grupo de bacterias
específicas, se descompone en
productos gaseosos o “biogás”
(CH4, CO2, H2S, etc.), y en
digestato, que es una mezcla de
productos minerales (N, P, K,
Ca, etc.) y compuestos
orgánicos de difícil degradación.
El biogás contiene un alto
porcentaje en metano
CH4 (entre 50-70%), por
lo que es susceptible de
un aprovechamiento
energético mediante su
combustión en motores,
en turbinas o en calderas,
sólo o mezclado con otro
combustible.
PROCESOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS PARA EFLUENTES CON ALTAS CARGAS CON GENERACIÓN Y APROVECHAMIENTO DE BIOGÁS.
Equivalencias de
biogás con otras
fuentes de energía.
IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía “Biomasa: Digestores anaerobios” BESEL, S.A. (Departamento de Energía), 2007
PROCESOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS PARA LODOS BIOLOGICOS CON GENERACIÓN DE BIOGÁS Y SU APROVECHAMIENTO.
Los lodos producidos en el
tratamiento de aguas residuales
pueden ser aprovechados como
fuente de energía durante la
etapa de digestión anaerobia en
la que se produce biogás como
subproducto del proceso.
El biogás puede ser alimentado
a una máquina de cogeneración
para generar energía eléctrica y
calorífica. Además de la producción de energía, la cogeneración
presenta la ventaja de reducir la emisión de gases de
efecto invernadero al ambiente.
COGENERACIÓN DE
ENERGÍA A PARTIR
DEL BIOGÁS
APLICACIÓN DE PROCESOS ANAEROBIOS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS .
La digestión anaerobia es un proceso microbiológico
complejo que se realiza en ausencia de oxígeno,
donde la materia orgánica se transforma a biomasa y
compuestos orgánicos, la mayoría de ellos volátiles.
Durante este proceso también se obtiene un gas
combustible (Biogás) y lodos con propiedades
adecuadas para ser usados como bioabonos.
Los procesos anaerobios son capaces de convertir
eficientemente altas concentraciones de DQO a
metano con una producción de biomasa mínima, con
valores de TRC mayores de 20 a 50 d.
Mecalf & Eddy, Inc.(2003)
Wastewater Engineering. Treatment and reuse.
(4ta edition). Ed. Mc Graw Hill.
Bermúdez, et. al., 2011
Ventajas Procesos Anaerobios
• Bajos requerimientos nutricionales.
• El proceso puede manejarse con altas
cargas intermitentes.
• Los lodos se conservan (sin alimentación)
por largos períodos de tiempo.
• Producción de metano aprovechable.
Identificación y medición de productos
intermedios que proporcionan parámetros
de control adicionales.
• La fermentación ácida y metanogénica,
así como la sedimentación tienen lugar en
el mismo tanque, por lo cual las plantas
son muy compactas.
• El consumo de potencia es bajo, puesto
que el sistema no requiere ninguna
agitación mecánica.
• La retención de biomasa es muy buena y
por eso no es necesario reciclar el lodo.
Desventajas Procesos Anaerobios
• Las limitaciones del proceso están
relacionadas con las aguas residuales que
tienen altos contenido de sólidos, o
cuando su naturaleza impide el desarrollo
de los lodos granulados.
• El arranque del proceso es lento, pues
consiste en mantener las condiciones
adecuadas para el crecimiento de la
biomasa siendo los nutrientes necesarios
lo más importante para su crecimiento.
• Las bacterias anaerobias (particularmente
las metanogénicas) se inhiben por un gran
número de compuestos y condiciones.
• Su aplicación debe ser monitoreada y
puede requerir un pulimiento posterior de
su efluente, además se generan malos
olores si no es eficazmente controlado.
Mecalf & Eddy, Inc.(2003) Wastewater Engineering. Treatment and reuse. (4ta edition). Ed. Mc Graw Hill.
REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES REFRACTARIOS POR LA RECIRCULACIÓN DE LODO AL SEDIMENTADOR PRIMARIO
Contaminantes refractarios
Son especies químicas que no pueden ser
biodegradadas
Pueden ser compuestos orgánicos sintéticos, farmoquímicos, etc.
Por no ser biodegradables, se pueden controlar con procesos
de adsorción en carbón activado u oxidación química
Los lodos provenientes del
sedimentador secundario tienen la
capacidad de adsorber contaminantes
refractarios
Por medio de un fenómeno superficial,
los contaminantes refractarios quedan
atrapados en el lodo, provocando una
disminución de estos contaminantes
La capacidad de adsorción es
aprovechada por medio de
recirculaciones al sedimentador
primario, alcanzando porcentajes de
recirculación hasta del 100%
REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES REFRACTARIOS POR LA
RECIRCULACIÓN DE LODO AL SEDIMENTADOR PRIMARIO
PROCESOS FISICOQUÍMICOS
Son empleados en el tratamiento de sistemas coloidales, las cuales se
presentan con frecuencia en muchas industrias como son: metal-mecánica,
textil, lavandería, alimenticia, automotriz, petrolera, química, petroquímica,
minera, galvanoplastia, agropecuaria y otras más.
Coagulación: Consiste en neutralizar la
carga, generalmente electronegativa, de los
coloides presentes en el agua, quedando
éstos en condiciones de formar flóculos.
(Shao et al, 1993)
COAGULACIÓN QUÍMICA
Precipitación química:
Es la formación de compuestos
insolubles de los elementos
indeseables contenidos en un agua,
a través de la utilización de los
reactivos apropiados.
La mayor utilización de este proceso
es para la precipitación cristalina de
los iones Ca2+ y Mg2+ y, en segundo
lugar, la precipitación de hidróxidos
metálicos (metales pesados).
PROCESOS ELECTROQUÍMICOS
Electroflotación
Electrocoagulación
Oxido-reducción
Electrodeposición
Electrofenton
Los procesos químicos de
oxidación avanzada usan
oxidantes (químicos) para reducir
los niveles DQO/DBO y los
componentes inorgánicos
oxidables.
Los procesos pueden oxidar
totalmente los materiales
orgánicos hasta CO2 y agua,
aunque normalmente no es
necesario operar estos procesos
hasta este nivel de tratamiento
Nota: POA= Procesos de oxidación avanzada
OXIDACIÓN QUÍMICA
OXIDACIÓN QUÍMICA
La adsorción con carbón activado consiste en
retirar del agua las sustancias solubles
mediante el paso a través de un lecho de este
material, consiguiéndose que los
contaminantes pasen a través de los
microporos, separando y reteniendo en la
superficie interna de los gránulos los
compuestos orgánicos y algunos inorgánicos.
El carbón activado también es conocido por
su capacidad para eliminar el cloro y su
gusto y olor. Las columnas de carbón
activado eliminan los compuestos orgánicos
volátiles (VOC), los pesticidas y herbicidas,
los compuestos con trihalometanos, radón,
los solventes y otros productos
ADSORCIÓN
AIREADORES IMPULSADOS CON ENERGÍA SOLAR
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
ING. EMILIO JAVIER MANRIQUE RAMÍREZ
SOLUCIONES AMBIENTALES E INGENIERÍA SYCMA, SA DE CV
CEL. 55 2109 9862
OFICINA 5277 4712