TTRRAATTAAMMIIEENNTTOO DDEE LLAASS AAGGUUAASS RREESSIIDDUUAALLEESS MMEEDDIIAANNTTEE LLAA TTEECCNNOOLLOOGGÍÍAA DDEE

““EELLEECCTTRROOOOXXIIDDAACCIIÓÓNN AAVVAANNZZAADDAA””

11..00 IINNTTRROODDUUCCCCIIOONN

Los residuos industriales generados por las distintas actividades humanas, contienen sustancias difíciles de biodegradar, las cuales pueden aportar color o compuestos tóxicos al agua, tales como: Fenoles, cianuros, entre otros. Estos tipos de compuestos no son degradados por los sistemas de tratamientos biológicos convencionales y hasta pueden dificultar su operación debido a su alto nivel de toxicidad. Por esta razón, se ha desarrollado una tecnología rápida, limpia e innovadora: la “Electrooxidación”, basada en el principio de la OXIDACION AVANZADA, la cual combina la acción de H2O2, Radiación UV, O3, Catalizadores, etc., provocando un “Sinergismo” que genera principalmente un alto nivel de Radicales Libres Hidroxilos, los que provocan un rompimiento en los enlaces químicos de la materia orgánica disuelta contaminante. A esto se debe sumar la Celda Electrolítica, la cual tiene una doble acción sobre el sistema, catalizar y oxidar. Esta acción sumada principalmente al efecto del H2O2, UV y O3 nos da como producto final la: “ELECTROOXIDACION AVANZADA”, sistema que es capaz de degradar la materia orgánica y los compuestos tóxicos que no son capaces de degradar los sistemas biológicos, dichas características otorgan a esta tecnología ventajas comparativas frente a otros sistemas de tratamiento.

22..00 FFUUNNDDAAMMEENNTTOOSS TTEEOORRIICCOOSS

La ELECTROOXIDACION AVANZADA tiene como objetivo: “ Generar radicales libres hidroxilos (OH·) para oxidar la materia orgánica disuelta presente en las aguas residuales, obteniendo como producto final una degradación completa a CO2 y H2O (mineralización) y otros compuestos inorgánicos (sales, minerales, etc)”, obviamente esta mineralización es teórica y bajo condiciones ideales.

La Electrooxidación puede remover una gran gama de contaminantes que se detallan a continuación, en la siguiente tabla:

CONTAMINANTE DETALLES Materia Orgánica

Proteínas, ácidos grasos, polisacáridos y fosfolípidos (entre otros compuestos)

Turbiedad

Con el sólo hecho de remover materia coloidal y flóculos, indica que el fraccionamiento de la espuma puede también ayudar a remover la turbiedad

Otros Fosfatos, nitratos, nitritos, amoníaco y otros sólidos disueltos. Reduce el material contaminante combinado y aumenta la oxigenación.

El sistema de tratamiento opera bajo el principio de Fraccionamiento de la materia orgánica, fenómeno que se produce al interior de un Reactor Tubular Fraccionador Catalítico, con el fin de remover por el extremo superior del reactor la materia orgánica que se encuentra en solución, en calidad de espuma (Materia Orgánica Disuelta, DOC).

Además de producirse un fraccionamiento de las proteínas y grasas, debido a la acción del ozono en el reactor, también se produce un Sinergismo entre todos los agentes oxidantes que están involucrados en este proceso, generando Radicales Libres Hidroxilos, quienes presentan un gran potencial de oxidación, más oxidativo que el O2, su potencial es mayor que el del Ozono y sólo un poco menor que el Flúor (elemento más oxidante que existe). Estos radicales libres son fuertemente reactivos atacando rápidamente las moléculas orgánicas degradándolas a CO2 y H2O.

33..00 FFUUNNDDAAMMEENNTTOOSS TTÉÉCCNNIICCOOSS La obtención de radicales libres Hidroxilos (OH), se debe a métodos basados en las combinaciones: • H2O2 / UV • O3 / UV • H2O2 / O3 / UV Como se puede observar en cada una de estas alternativas se utilizan los rayos UV, ya que, casi la totalidad de los métodos de oxidación avanzada se basan en la fotólisis del H2O2 y del ozono, los cuales a través de una serie de reacciones en cadena forman los radicales hidroxilo. Además, de estas reacciones en cadena se generan reacciones intermedias las que también generan radicales libres intermedios altamente oxidantes.

H2O2 + hν (ultravioleta) → HO· O3 + hν (ultravioleta) → O· + O2

La generación de estos radicales OH· es muy importante al momento de oxidar la materia orgánica, debido a su alto potencial de oxidación, el cual está representado en la siguiente tabla:

Compuesto Eº de Oxidación ·OH 2.80 V O3 2.07 V H2O2 1.78 V Dióxido de Cl 1.57 V

La formación de estos agentes altamente oxidantes (OH·) se debe a un “Sinergismo” debido a la suma de todas las acciones de cada uno de los agentes oxidantes, los cuales además, poseen la facultad de ser oxidantes por naturaleza de manera independiente unos de otros. Las características de cada uno de estos oxidantes y las etapas del sistema de tratamiento se detallan a continuación:

OOzzoonnoo

La principal característica del ozono es un componente “polifuncional” dentro de la electrooxidación, ya que, cumple tres funciones:

1) Es un oxidante por naturaleza propia, atacando directamente la materia orgánica e inorgánica disuelta (fundamentalmente) (oxidación directa).

2) Aporta al “Sinergismo”, interactuando con el H2O2, el O3, los catalizadores, etc., produciendo así los Radicales Libres Hidroxilos y un sin número de reacciones intermedias que forman otro tipo radicales libres con un gran potencial de oxidación, pero no de la

misma magnitud que el radical OH·.

O3 + hν (ultravioleta) → O· + O2 O2 + hν → (ultravioleta) → 2 O· O· + O2 → O3 O· + O· → O2 O· + O3 → 2O2

3) Es un agente indispensable para el fraccionamiento de aceites, grasas, proteínas y la materia orgánica disuelta en general. Aquí su aplicación se recomienda a través de un venturi en contracorriente, para que se logre una mayor probabilidad de contacto entre la materia orgánica fraccionada y las microburbujas de ozono.

PPeerróóxxiiddoo ddee HHiiddrróóggeennoo

Este compuesto (Peróxido de Hidrógeno, H2O2) también es un agente oxidante por naturaleza

eso sí, de menor potencial de oxidación que el radical libre (OH·) y que el ozono (O3). Además, al igual que los otros agentes oxidantes, es catalizado por una radiación UV, según figura adjunta. Esta fotoreacción activa la molécula de H2O2 dividiéndola en dos Radicales Hidroxilos (OH·), los que con el potencial de oxidación estándar del orden de +2,80 [V], son los elemento más oxidante que se conocen.

Hasta el momento la suma de ambos agentes oxidantes, nos da como producto una catalización y una oxidación vía radicales libres OH·, mecanismo que se muestra a continuación y donde se especifican claramente los dos tipos de oxidación, directa e indirecta:

RRaaddiiaacciióónn UUllttrraavviioolleettaa ((UUVV))

Tal como se ha visto en las reacciones anteriores donde se encuentran presentes agentes oxidantes (peróxido, ozono, etc) la Luz UV es indispensable en todos los mecanismos de oxidación foto catalítica, ya que, es un catalizador de cada una de las reacciones en las cuales se encuentran involucrados agentes oxidantes tales como el H2O2, el O3 e incluso de los propios catalizadores.

Estos métodos aprovechan la fotólisis del H2O2 y del ozono para producir los radicales hidroxilo principalmente: O3 + hν (ultravioleta) → O· + O2

H2O2 + hν (ultravioleta) → 2 OH·

Lámpara de Luz UV LLáámmppaarraa ddee LLuuzz UUllttrraavviioolleettaa

CCaattaalliizzaaddoorreess Son sustancias que tienen la facultad de acelerar las reacciones químicas, a través de un mecanismo que permite disminuir la energía de activación que deben superar los reactivos para transformarse en productos. Existen catalizadores del tipo semiconductor capaces de generar radicales libres hidroxilos cuando se expone a la radiación UV y pueden producir los radicales, siempre y cuando estén en contacto con agua:

Cat. + hν ----------> e- BC + h+ BV

En la superficie de los huecos reacciona con el agua adsorbida o con los grupos OH- para formar radicales OH· h+ BV + H2O (adsorbido) ---------> OH- + H+

h+ BV + OH- (superficial) ---------> OH· Los electrones en exceso de la banda de conducción probablemente reaccionan con oxígeno molecular para formar iones superóxido. e-

BC + O2 ------------> O2 - que pueden formar más radicales OH·.

Paralelamente a estas reacciones se producen las llamadas “Reacciones Intermedias”, que también producen radicales libres de menor poder oxidativo.

CCeellddaa EElleeccttrroollííttiiccaa

La celda está compuesta por Electrodos Insolubles conectados a una Fuente de Poder, que otorga la corriente al sistema para que se produzca una óxido-reducción, derivando a una Hidrólisis del Agua, obteniendo una serie de “Reacciones Electrolíticas” con sus respectivos productos que dependerán del pH del medio y de la naturaleza de las especies participantes. Como resultado se tiene un medio donde se favorece la formación de especies OH- que ayudan y mejoran la oxidación de materia orgánica. Además, debido a la alta circulación de electrones en el medio acuoso (óxido-reducción), se está favoreciendo y catalizando la formación de Radicales Libres Hidroxilos (OH·). Detalle de las reacciones que se producen en los respectivos electrodos.

Cátodo : H2O + 2e- H2 + 2 OH-

Ánodo : H2O + 2OH - ½ O2 + 2 e- + 3 H2O

FFuueennttee ddee PPooddeerr Su principal componente es un transformador, capaz de transformar la corriente alterna en continua; también tiene un variador de voltaje (V) y amperaje (A) independientes entre sí. El voltaje, se deja fijo, ya que, este es característico de cada dieléctrico y debe ser regulado sólo el amperaje, por ser éste el que determina la migración de especies catiónicas del ánodo para que se produzca la electrolisis del agua, de esta manera se están generando OH- y acelerando las reacciones de oxidación (oxido-reducción).

EElleeccttrrooddooss IInnssoolluubblleess Los electrodos insolubles, están especialmente acondicionados para los distintos procesos, con el objetivo principal de producir oxígeno a bajos sobrepotenciales en diferentes soluciones ácidas, debido a la hidrólisis que sufre el agua. Esto también lleva a un bajo consumo de energía en el proceso. En la Electrooxidación avanzada, se requiere que los ánodos electrocatalíticos sean desarrollados. Este es el caso de los electrodos insolubles, los cuales son especialmente acondicionados para los procesos de electrooxidación avanzada y compuestos por capas de metales de alta dureza.

1) Base de metales específicos y que favorecen la sobre oxidación ; que le otorga dureza al sistema. 2) Una capa especial conductora de óxido-metal que es resistente al ácido, químicos corrosivo y al paso de la corriente en la dirección anódica.

EElleeccttrroolliittooss En la oxidación electroquímica de la materia orgánica en las aguas, un electrolito puede ser agregado para asegurar que el proceso electrolítico sea efectivo. La ausencia de un electrolito trae como consecuencia un pequeño paso de corriente en la celda, lo que afecta la oxidación de las sustancias orgánicas. La oxidación electroquímica puede ocurrir solamente en presencia de un electrolito, el efecto de la concentración del electrolito sobre la reducción de los contaminantes es muy importante, un incremento de la concentración provoca un aumento en la velocidad de la oxidación.

UUllttrraassoonniiddoo Esta tecnología usa ultrasonido de alta potencia, y se aprovecha la cavitación electrohidráulica, es decir, el crecimiento y colapsado cíclico de las burbujas de gas. El gas implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4.000-10.000K y 1.000-10.000 bar en el centro de las burbujas colapsadas). La degradación de materia orgánica por sonólisis ocurre a través de la generación de radicales generados por reacciones térmicas o por reacciones en presencia de oxigeno. Durante la sonólisis se produce la formación de peróxido de hidrógeno, que junto con el radical OH*, es un oxidante muy útil. La técnica es económicamente competitiva y simple, y la degradación se completa en tiempos breves (minutos a horas).

44..00 AASSPPEECCTTOOSS TTÉÉCCNNIICCOOSS DDEE OOPPEERRAACCIIÓÓNN DDEE LLAA EELLEECCTTRROOOOXXIIDDAACCIIÓÓNN Las condiciones de operación de un sistema de electrooxidación se encuentran directamente relacionadas con las condiciones del agua residual, entre las cuales se destacan: Flujo, pH, carga orgánica disuelta y suspendida, dosis de productos oxidantes y su conductividad

DETALLE CARACTERÍSTICAS

Aplicación del Sistema

Destruye la inmensa mayoría de los compuestos orgánicos, en especial los no biodegradables como son los; Organoclorados, Tolueno, Alcoholes y compuestos aromáticos en general.

Consumos de Energía

Se encuentran entre un [ 0.2 a 0.5] Kwh/m3, son menores a los sistemas de tratamiento convencionales.

Orientación de aplicación

Se utiliza como post tratamiento sustituyendo un sistema biológico, ya que, aumenta la biodegradabilidad del efluente. En algunos casos se puede utilizar como tratamiento primario o químico alternativo.

Desgaste de Electrodos

No se produce desgaste de los electrodos (son insolubles), ya que, técnicamente no se producen lodos

Condiciones de Operación

Funciona en forma automática, mediante controles electrónicos que regulan la corriente (bajas) y voltaje (altos).

Costos de Inversión

Representan de un 45 -55% del valor total de inversión de un sistema biológico, principalmente no requieren de obras civiles mayores.

Tamaño del sistema

Unidad compacta, en comparación a sistemas biológicos, requiere de una superficie de un 60 a un 70 % menor.

Químicos y Catalizadores

Los reactivos utilizados como oxidantes se descomponen durante el proceso en productos inocuos. Los catalizadores oxidan y reducen simultáneamente formando un ciclo cerrado.

55..00 VVEENNTTAAJJAASS CCOOMMPPAARRAATTIIVVAASS DDEE LLAA EELLEECCTTRROOOOXXIIDDAACCIIOONN..

55..11 EElleeccttrrooooxxiiddaacciióónn vv//ss TTrraattaammiieennttoo bbiioollóóggiiccoo 55..11..11 CCoommppaarraacciióónn GGeenneerraall

DETALLE

ELECTROOXIDACION BIOLOGICO

Superficie Representa entre [50–60]% de un Sistema Biológico.

Se requiere de gran superficie

Tiempo de Residencia de la reacción

Necesitan de 15 a 45 minutosde recirculación.

Tiempo mínimo de 24 horas en el estanque de aereación

Obras Civiles Son unidades compactas que NO requieren Obras Civiles.

Requieren de grandes obras civiles.

Costos de Inversión Representa el 50% de inversión del Biológico.

Requieren de gran inversión, en equipos y obras civiles

Costos de Operación Entre [0.2 – 0.5] Kwh/m3.

De 5 a 10% menor que el sistema de Electrooxidación

Químicos Utiliza agentes Oxidantes (opcional)

Los puede utilizar para la etapa de desinfección

55..11..22 CCoommppaarraacciióónn TTééccnniiccoo//EEccoonnóómmiiccaa

DETALLE ELECTROOXIDACION BIOLOGICO

Relación de Energía [0.008 – 0.02] US$ / m3 [0.30-0.35] US$ / m3

Relación de Químicos De un 20 a un 30 % mayor [0.008-0.009] US$ / m3 (*)

Tiempo de Residencia de la reacción

[15-45] min. En la etapa de Recirculación

24 hrs. En el estanque de Aireación

Tiempo de Residencia en la Sedimentación

No hay generación de lodos (no hay sedimentación).

3-4 hrs. En el estanque de Sedimentación

Desinfección Uso de Ozono Cloración/Decloración (opcional)

(*) Cloración/Decloración

66..00 AAPPLLIICCAACCIIOONNEESS GGEENNEERRAALLEESS DDEE LLAA EELLEECCTTRROOOOXXIIDDAACCIIOONN.. La ELECTROOXIDACION AVANZADA está dirigida particularmente, como una etapa de post-tratamiento donde sólo existe materia orgánica disuelta que no pudo ser removida o degradada en el sistema de tratamiento (Fisicoquímico, Electroquímico, etc). Además, está orientada a reemplazar las Plantas de Tratamiento Biológicas en todo aquel lugar donde no se disponga de un gran superficie o se requiera de una planta más compacta.

Su mayor potencial se encuentra orientado a oxidar materia orgánica disuelta y en forma específica, sustancias tóxicas presentes en el agua, principalmente fenoles (compuestos orgánicos aromáticos muy estables), Alcoholes, Aldehidos, Aminas Eteres, etc. Además es capaz de abatir el color , la DQO, y la DBO, asociada a estos compuestos orgánicos disueltos.

La Electrooxidación tiene un campo bastante amplio donde ser utilizada, ya que, casi la totalidad de las industrias generan aguas residuales con una gran concentración de materia orgánica disuelta, que difícilmente puede ser abatida por los tratamientos existentes. Por lo tanto, su gran potencial puede ser demostrado con éxito en varias industrias. 66..11 AApplliiccaacciioonneess ddee llaa eelleeccttrrooooxxiiddaacciióónn aa llooss sseeccttoorreess ddee::

••• LLLAAA IIINNNDDDUUUSSSTTTRRRIIIAAA TTTEEEXXXTTTIIILLL

••• LLLAAA IIINNNDDDUUUSSSTTTRRRIIIAAA DDDEEELLL PPPAAAPPPEEELLL

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•• CCoossttooss ddee ooppeerraacciióónn

DETALLE RELACION VALOR US$/m3 Tratado Energía [0.2 -0.5] Kwh / m3 [0.008 - 0.02] US$ / m3

Nota: 1. Se usa ácido o base sólo para ajuste de pH según el caso. 2. No se considera reemplazo o consumo de electrodos. 3. Consumo de peróxido de hidrógeno y catalizador de acuerdo al tipo de agua a tratar. •• EEffiicciieenncciiaa ddee rreemmoocciióónn ddee ccoonnttaammiinnaanntteess pprriinncciippaalleess

PARAMETROS EXPRESION UNIDAD REMOCIÓN (%)

DBO5 DBO5 mg/l > 85 DQO DQO mg/l > 85 Aceites y grasas A y G mg/l > 95

Sólidos SuspendidosTotales SST mg/l > 98 Sólidos disueltos Totales SDT mg/l > 98 Coliformes Fecales Coli/100 ml NMP/100 ml > 98 Color mg/l > 90 Compuestos Fenólicos mg/l > 95 Compuestos Cloroaromáticos mg/l > 95

““EExxiissttee uunnaa ccrreecciieennttee ddeemmaannddaa ddee llaa ssoocciieeddaadd mmaatteerriiaalliizzaaddaa eenn llooss úúllttiimmooss aaññooss eenn rreegguullaacciioonneess ddee oorrggaanniissmmooss gguubbeerrnnaammeennttaalleess ppaarraa llaa ddeessccoonnttaammiinnaacciióónn ddee aagguuaass sseerrvviiddaass ddoommééssttiiccaass ee iinndduussttrriiaalleess,, qquuee ccoonnttiieenneenn eessppeecciieess ttóóxxiiccaass.. LLaa ccoonncciieenncciiaa ssoobbrree eell eeffeeccttoo ddee llooss ccoonnttaammiinnaanntteess ssoobbrree llaa ssaalluudd yy rriieessggooss eeccoollóóggiiccooss aammbbiieennttaalleess jjuunnttoo ccoonn eell ccuummpplliimmiieennttoo ddee ddiicchhooss rreeqquueerriimmiieennttooss,, hhaacceenn qquuee llaass TTeeccnnoollooggííaass ddee OOxxiiddaacciióónn AAvvaannzzaaddaa ((TTOOAA)),, ccoonnssttiittuuyyeenn uunn ggrruuppoo ddee pprroocceessooss ppaarraa eell ttrraattaammiieennttoo ddee eefflluueenntteess aammbbiieennttaalleess””.. IINNTTEECCHHNNOOLLOOGGYY CCHHIILLEE LLTTDDAA.. IInnnnoovvaacciioonneess TTeeccnnoollóóggiiccaass