vt2 tratamientos avanzados de aguas residuales industriales

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CONFEDERACIN EMPRESARIALDE MADRID - CEOE

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vtAntonio Rodrguez Fernndez-Alba

Pedro Letn Garca

Roberto Rosal Garca

Miriam Dorado Valio

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Juana M. Sanz Garca

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Este informe ha sido realizado por el equipo de la

Universidad de Alcla del Crculo de Innovacin en

Tecnologas Medioambientales y Energa (CITME). El CITME

es una iniciativa gestionada por la Universidad de Alcal,

la Universidad Rey Juan Carlos y el CIEMAT dentro del

IV Programa Regional de Ciencia y Tecnologa de la

Consejera de Educacin de la Comunidad de Madrid.

El CITME agradece la colaboracin al equipo de la

Universidad de Alcal del grupo de investigacin

REMTAVARES (Red Madrilea de Tratamientos Avanzados de

Aguas Residuales) de la Comunidad de Madrid.

Todos los derechos estn reservados. Se autoriza la

reproduccin total o parcial de este infome con fines

educacionales, divulgativos y no comerciales citando la

fuente. La reproduccin para otros fines est expresamente

prohibida sin el permiso de los propietarios del copyright.

De los textos: Los autores

De la coleccin vt y de la presente edicin: CEIMDireccin General de Universidades e Investigacin

Diseo: base12 diseo y comunicacin s.l.

Ilustraciones: Los autores

Impresin: Elec Industria Grfica

Depsito Legal: M-30985-2006

Coleccin dirigida por:

Jos de la Sota Rus

Coleccin coordinada por:

Fundacin para el conocimiento madri+dCEIM

5 INTRODUCCIN9 CAPTULO 1

Marco legal y caractersticas de las aguas residuales industriales

15 CAPTULO 2Tecnologas convecionales

2.1 Tratamientos para la eliminacin de materia en suspensin (PG. 18)

2.2 Tratamientos para la eliminacin de materia disuelta (PG. 24)

2.3 Tratamientos biolgicos (PG. 30)

45 CAPTULO 3Tecnologas emergentes

3.1 Oxidacin (PG. 46)3.2 Membranas (PG. 63)

95 CAPTULO 4Estado actual: actores del sector

4.1 Proyectos de I+D (PG. 97)4.2 Publicaciones cientficas (PG. 101)4.3 Patentes espaolas (PG. 108)

111 CAPTULO 5Potencial del sector en la Comunidad de Madrid

5.1 Grandes grupos de investigacin (PG. 112)5.2 Empresas del sector agua de la Comunidad

de Madrid (PG. 114)

115 CAPTULO 6Anexos

Anexo 1 Proyectos del Plan Nacional I+D (PG. 116)Anexo 2 Patentes espaolas (PG. 119)Anexo 3 Empresas madrileas relacionadas

con el sector Agua (PG. 122)

131 CAPTULO 7Referencias y lista de abreviaturas

ndice

INTRODUCCIN

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El Agua

El 59% del consumo total de agua en los pases desarrollados se destina a usoindustrial, el 30% a consumo agrcola y un 11% a gasto domstico, segn se constataen el primer informe de Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hdricos delmundo, Agua para todos, agua para la vida (marzo 2003). En 2025, el consumo de aguadestinada a uso industrial alcanzar los 1.170 km3 / ao, cifra que en 1995 se situabaen 752 km3 / ao. El sector productor no slo es el que ms gasta, tambin es el quems contamina. Ms de un 80% de los deshechos peligrosos del mundo se producen enlos pases industrializados, mientras que en las naciones en vas de desarrollo un 70%de los residuos que se generan en las fbricas se vierten al agua sin ningn tipo detratamiento previo, contaminando as los recursos hdricos disponibles.

Estos datos aportan una idea de la importancia que tiene el tratamiento y lareutilizacin de aguas residuales en el sector industrial en el mundo, y ms an enpases que saldan su balance de recursos hdricos con nmeros rojos. Es el caso deEspaa, la nacin europea con mayor dficit hdrico.

Segn el Libro Blanco del Agua, el consumo en Espaa es de 35.000 Hm3/ao. Sinembargo, su uso presenta particularidades respecto a la media mundial, ya que el 68%se destina a regado, el 18% a abastecimiento de poblacin e industria, y el 14%restante a sistemas de refrigeracin de produccin de energa.

El agua es tanto un derecho como una responsabilidad, y tiene valor econmico,social y ambiental. Cada ciudadano, cada empresa, ha de tomar conciencia de que elagua dulce de calidad es un recurso natural, cada vez ms escaso tanto a nivelsuperficial como subterrneo, necesario no slo para el desarrollo econmico, sinoimprescindible como soporte de cualquier forma de vida en la naturaleza. No cabeduda de que la industria es motor de crecimiento econmico y, por lo tanto, clave delprogreso social. Sin embargo, demasiado a menudo la necesidad de maximizar elproceso productivo excluye de la planificacin la tercera pata del progreso, laproteccin del Medio Ambiente.

El adecuado tratamiento de aguas residuales industriales y su posterior reutilizacinpara mltiples usos contribuye a un consumo sostenible del agua y a la regeneracinambiental del dominio pblico hidrulico y martimo y de sus ecosistemas. Sin olvidarque el agua de calidad es una materia prima crtica para la industria.

La comunidad internacional ha reconocido en mltiples foros el importante papel quejuega el agua en un sistema sostenible de desarrollo industrial a largo plazo. La Agenda21, surgida de las conversaciones de Ro 92, concluye en el captulo 30 que laspolticas y operaciones comerciales e industriales pueden desempear un papel decisivoen la conservacin medioambiental y el mantenimiento de los recursos si se incrementa

7PRESENTACIN

la eficacia de los procesos de produccin y se adoptan tecnologas y procedimientoslimpios, reduciendo al mnimo, e incluso evitando, los deshechos.

Por su parte, el Plan de Aplicacin de las Decisiones de la Cumbre Mundial sobre elDesarrollo Sostenible de 2002 alienta a la industria a desarrollar su funcin socialestableciendo sistemas de ordenacin ambiental, cdigos de conducta, medidas decertificacin y publicacin de informes sobre cuestiones ambientales y sociales. Un aoms tarde, la Declaracin Ministerial del Tercer Foro Mundial del Agua reunido en Kyotopropone recaudar fondos siguiendo criterios de recuperacin de costes que se adapten alas condiciones climticas, medioambientales y sociales del lugar, as como el principiode contaminador paga.

En el mbito europeo, la Directiva 2000 incorpora la calidad como objetivo de lapoltica general del agua, lo que supone un impulso para las tcnicas y tecnologaspresentes y futuras, gracias a la investigacin encaminadas a que el agua retorne ala Tierra, una vez utilizada, en condiciones que no slo permitan la supervivencia, sinola regeneracin de algunos de nuestros ecosistemas.

Segn el Instituto Nacional de Estadstica (INE), en Espaa el volumen de aguaresidual recogido en 2003 fue de 3.469 Hm3, de los que slo se reutiliz un 4% (unos170 Hm3). Aunque es difcil cuantificar el volumen de aguas residuales que puedenreutilizarse para distintos usos, todos los estudios que se han realizado sobre lamateria confirman el enorme potencial de Espaa en este campo. Entre los mtodosms rigurosos para determinar la capacidad de reutilizacin de recursos hdricos seencuentra el elaborado por Hochstrat (2005). Segn su modelo, Espaa tiene unpotencial de reciclado de 1.300 Hm3, un orden de magnitud muy superior al actual.

Comunidad de Madrid

En su empeo por cumplir los objetivos relacionados con el consumo sostenible y elcuidado del lquido elemento, la Comunidad de Madrid ya ha cumplido su propsito dedepurar todas las aguas residuales antes de su vuelta a los ros, pero ahora quiere darun paso ms incrementando la calidad del agua depurada. La conviccin de preservarlos recursos hdricos y la vocacin de gestionarlos en consonancia con el sostenimientomedioambiental ha impulsado el desarrollo y puesta en macha de madrid dpura, unplan de depuracin y reutilizacin de agua que la regin desarrollar en el periodo2005-2010. Esta iniciativa supondr una inversin de 600 millones de euros, ycontempla tres ejes de actuacin. El primero incidir en la mejora de los sistemas dedepuracin. En el segundo se acometern proyectos para la reutilizacin del aguaprocedente de 30 depuradoras y se crearn las infraestructuras necesarias para sudistribucin. Por ltimo, la tercera lnea de actuacin se centrar en la reutilizacin delos lodos procedentes de la depuracin. A travs de madrid dpura, la Comunidad

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reciclar anualmente entre 30 y 40 hectmetros cbicos de agua depurada que podrnemplearse para regar zonas verdes pblicas, usos industriales y baldeo de calles. Elproyecto se desarrollar en ms de 50 municipios de la regin, y beneficiar a2.500.000 habitantes.

Un libro sobre tecnologa

En este documento se recogen diversas tcnicas de tratamiento de aguas residualesindustriales que la ciencia y la tecnologa ponen en manos de las empresas para queestas puedan cumplir en condiciones ptimas con los requerimientos del progresoeconmico, social y medioambiental.

stas se han clasificado en tratamientos convencionales y emergentes, atendiendo alhecho de las nuevas aplicaciones que, como consecuencia de la tendencia de nuestrasociedad hacia una economa basada en la sostenibilidad, tienen procedimientos cuyoslmites tcnicos y econmicos estn perfectamente definidos. Un claro ejemplo es elmtodo de oxidacin hmeda, cuyos posibles nuevos usos debido a normas de vertidoms restrictivas y al desarrollo de nuevos catalizadores lo han colocado en la categorade tecnologa emergente.

No obstante, y como es la legislacin el origen de las restricciones, o ms bien delas pautas a seguir en la sostenibilidad del agua, es preceptivo hacer una breveintroduccin al marco legal de referencia.

Marco legal y caractersticas de las aguas residuales industriales

CAPTULO 1

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En la directiva 91/271 CEE, del Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas, se definenlos distintos tipos de aguas residuales:

Aguas residuales domsticas: Aquellas procedentes de zonas de vivienda y deservicios generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividadesdomsticas.

Aguas residuales industriales: Todas las aguas residuales vertidas desde localesutilizados para efectuar cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguasresiduales domsticas ni aguas de escorrenta pluvial.

Aguas urbanas: Las aguas residuales domsticas o la mezcla de las mismas con aguasresiduales industriales y/o aguas de escorrenta pluvial. Todas ellas habitualmentese recogen en un sistema colector y son enviadas mediante un emisario terrestre auna planta EDAR (Estacin Depuradora de Aguas Residuales). Las industrias querealicen el vertido de sus aguas residuales en esta red colectora, habrn deacondicionar previamente sus aguas. Hasta el momento, la ley que regula el vertidode aguas industriales a la red de saneamiento en la Comunidad de Madrid es la10/1993, de 26 de octubre.

Los compuestos orgnicos e inorgnicos se encuentran en aguas residuales procedentesde instalaciones industriales diversas. A diferencia de las aguas residuales domsticas,los efluentes industriales contienen con frecuencia sustancias que no se eliminan porun tratamiento convencional, bien por estar en concentraciones elevadas, o bien por sunaturaleza qumica. Muchos de los compuestos orgnicos e inorgnicos que se hanidentificado en aguas residuales industriales son objeto de regulacin especial debido asu toxicidad o a sus efectos biolgicos a largo plazo.

El control de la contaminacin del agua producida por las actividades industrialescomenz con la aprobacin por el Congreso de los Estados Unidos de la enmienda de1972 a la Federal Water Pollution Control Act, que estableci un sistema nacional dedescarga y eliminacin de contaminantes. Las enmiendas de 1977 y 1987, conocidascomo Clean Water Act y Water Qualty Act, completan la regulacin legalnorteamericana. La tendencia en Europa y, por tanto en Espaa, especialmente tras lapromulgacin de la Ley 16/2002 de prevencin y control integrado de la contaminaciny la puesta en marcha del EPER-Espaa, es reducir el vertido de algunos contaminantesespecficos y emplear sistemas avanzados de tratamiento de aguas residuales in situ.Entre las principales sustancias contaminantes, de acuerdo a la citada ley 16/2002, quese tomarn obligatoriamente en consideracin para fijar valores lmite de emisiones alas aguas se encuentran:

Compuestos rgano-halogenados y sustancias que puedan generarlos en el medioacutico.

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CAPTULO 1M

arco legal y caractersticas de las aguas residuales industriales

Sustancias y preparados cuyas propiedades cancergenas, o mutagnicas, quepuedan afectar a la reproduccin en el medio acutico.

Hidrocarburos persistentes y sustancias orgnicas txicas persistentes ybioacumulables.

Cianuros.

Biocidas y productos fitosanitarios.

Sustancias que ejercen una influencia desfavorable sobre el balance de oxgeno(computables mediante parmetros agregados tales como DBO, DQO).

En la ley que regula el vertido de aguas industriales a la red de saneamiento en laComunidad de Madrid (Ley 10/1993, de 26 de octubre) establece tambin lanecesidad de identificacin de los vertidos y la definicin de determinados parmetrosde contaminacin. Uno de estos parmetros es la ecotoxicidad (medida mediante unensayo normalizado de bioluminiscencia) que permite detectar compuestos txicospara los que no exista una normativa especfica, como podra ocurrir con loscontaminantes emergentes.

Estos contaminantes proceden de industrias muy variadas y por su naturaleza,concentracin o caudal del efluente, hacen que esas aguas residuales demanden untratamiento antes de su vertido o reutilizacin.

Las Tabla 1.1 y 1.2 muestran la clasificacin, por sectores de actividadad industrial, delos principales compuestos contaminantes en agua junto con el porcentaje departicipacin en las emisiones directas en la UE (se han omitido porcentajes inferioresal 10%).

TABLA 1.1 Emisoras directas de contaminantes inorgnicos en agua clasificados por actividad.

Arsnico y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (22%)Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (20%)Produccin de cemento y materiales cermicos (18%)Plantas de procesado de residuos peligrosos (10%)

Cadmio y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (66%)

Cloruros Plantas de combustin (40%)Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (30%)Industria Qumica Orgnica de base (20%)

Cromo y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (87%)

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TABLA 1.1 Emisoras directas de contaminantes inorgnicos en agua clasificados por actividad.(Continuacin)

Cobre y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (23%)Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (18%)Industria Qumica Orgnica de base (12%)Plantas de combustin (12%)

Cianuros Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (80%)Industria Qumica Orgnica de base (10%)

Fluoruros Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (54%)Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (22%)Industria Qumica Orgnica de base (17%)

Plomo y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (40%)Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (15%)Industria Qumica Orgnica de base (12%)Refineras de petrleo y gas (12%)

Mercurio y sus compuestos Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (31%)Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (18%)Industria Qumica Orgnica de base (14%)

Nquel y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (44%)Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (13%)Industria Qumica Orgnica de base (13%)

Compuestos orgnicos de estao Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (86%)

Fsforo Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (25%)Industria Qumica Orgnica de base (22%)Industria de la madera y papel (18%)Industrias lcteas, mataderos y otras (13%)

Zinc y sus compuestos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (33%)Industria Qumica Orgnica de base (23%)Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (16%)Industria de la madera y papel (11%)

Fuente: The European Pollutant Emission Register

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CAPTULO 1M

arco legal y caractersticas de las aguas residuales industriales

TABLA 1.2 Emisoras directas de contaminantes orgnicos en agua clasificados por actividad.

Benceno, tolueno, etilbenceno Industria Qumica Orgnica de base (56%)y xilenos (BTEX) Industrias del petrleo y del gas (17%)

Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (11%)

Cloroalcanos Industria qumica inorgnica de base o fertilizantes (100%)

Orgnicos halogenados (AOX) Instalaciones para la produccin de pasta de papel (86%)

Compuestos organoestnnicos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (86%)Industria Qumica Orgnica de base (11%)

1,2,-Dicloroetano (DCE) Productos qumicos orgnicos de base (63%)Productos qumicos inorgnicos de base o fertilizantes (36%)

Diclorometano (DCM) Productos qumicos orgnicos de base (48%)Industria farmacutica (30%)

Bromuro de difenilter Instalaciones para pretratamiento de fibras o textiles (100%)

Dioxinas y furanos Industrias del metal e instalaciones de calcinacin ysinterizacin de minerales metlicos (41%)Instalaciones de combustin (19%)Productos qumicos orgnicos de base (17%)Instalaciones para eliminacin de residuos peligrosos (15%)

Fenoles Productos qumicos orgnicos de base (47%)Refineras de petrleo y de gas (23%)Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (11%)

Hexaclorobenceno (HCB)Hexaclorobutadieno (HCBD) Productos qumicos orgnicos de base (~90%)Hexaclorcociclohexano (HCH)

Hidrocarburos aromticos Tratamiento de superficies con disolventes orgnicos (33%)policclicos (PAH) Refineras de petrleo y de gas (27%)

Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (21%)Productos qumicos orgnicos de base (13%)

Hidrofluorocarburos (HFC) Productos qumicos inorgnicos de base o fertilizantes (48%)Productos qumicos orgnicos de base (41%)

Pentaclorofenol (PCP) Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (100%)

Perfluorocarburos (PFC) Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (82%)

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TABLA 1.2 Emisoras directas de contaminantes orgnicos en agua clasificados por actividad(Continuacin)

Tetracloroetileno (PER) Tratamiento de superficies con disolventes orgnicos (43%)Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (26%)Productos qumicos orgnicos de base (12%)Productos qumicos inorgnicos de base o fertilizantes (12%)

Tetraclorometano (TCM) Productos qumicos orgnicos de base (93%)

Triclorobencenos (TCB) Productos qumicos orgnicos de base (56%)Productos qumicos inorgnicos de base o fertilizantes (44%)

1,1,1-Tricloroetano (TCE) Productos qumicos inorgnicos de base o fertilizantes (100%)

Tricloroetileno (TRI) Industrias del metal e instalaciones de calcinacin y sinterizacin de minerales metlicos (32%)Productos qumicos orgnicos de base (31%)Tratamiento de superficies con disolventes orgnicos (24%)

Triclorometano (Clroformo) Productos qumicos orgnicos de base (43%)Productos qumicos inorgnicos de base o fertilizantes (40%)Industria farmacutica (15%)

Fuente: The European Pollutant Emission Register

Tecnologas convencionales

CAPTULO 2

2.1 Tratamientos para la eliminacin de materia en suspensin (PG. 18)

2.1.1 Desbaste (PG. 18)2.1.2 Sedimentacin (PG. 18)2.1.3 Filtracin (PG. 20)2.1.4 Flotacin (PG. 20)2.1.5 Coagulacin-Floculacin (PG. 21)

2.2 Tratamientos para la eliminacin de materia disuelta (PG. 24)

2.2.1 Precipitacin (PG. 24)2.2.2 Procesos Electroqumicos (PG. 24)2.2.3 Intercambio Inico (PG. 25)2.2.4 Adsorcin (PG. 27)2.2.5 Desinfeccin (PG. 28)

2.3 Tratamientos biolgicos (PG. 30)

2.3.1 Procesos biolgicos aerobios (PG. 31)2.3.1.1 Fangos activados: Proceso bsico (PG. 31)2.3.1.2 Fangos activados: Modificaciones del proceso bsico (PG. 32)2.3.1.3 Procesos aerobios con biomasa soportada (PG. 33)

2.3.2 Procesos biolgicos anaerobios (PG. 34)2.3.2.1 Condiciones de operacin (PG. 36)2.3.2.2 Reactores utilizados (PG. 37)

2.3.3 Procesos biolgicos de eliminacin de nutrientes (PG. 41)2.3.3.1 Tratamiento biolgico de compuestos con nitrgeno (PG. 41)2.3.3.2 Eliminacin Biolgica del Fsforo (PG. 43)

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Algunas aclaraciones previas

Los tratamientos a los que se deben someter los efluentes tienen que garantizar laeliminacin o recuperacin del compuesto orgnico en el grado requerido por lalegislacin que regula el vertido del efluente o para garantizar las condiciones mnimasdel proceso en el caso de reutilizacin o recirculacin de la corriente para uso interno.El nivel mximo admisible de contaminante puede conseguirse mediante la utilizacinde diversas tcnicas tanto destructivas como no destructivas (2.1).

TABLA 2.1 Mtodos de eliminacin de compuestos orgnicos en aguas residuales

Mtodos no destructivos

Adsorcin (carbn activo y otros adsorbentes)

Desorcin (Stripping)

Extraccin en fase lquida con disoventes

Tecnologa de membranas (Ultrafiltracin, nanofiltracin)

Mtodos destructivos

Tratamiento biolgico (aerobio y anaerobio)

Oxidacin qumica

Incineracin

Oxidacin hmeda cataltica y no cataltica

Oxidacin hmeda supercrtica

Procesos avanzados de oxidacin

En el contexto del tratamiento de contaminantes en efluentes acuosos, la aplicacin deuna tcnica no destructiva se entiende como una etapa previa de concentracin antesde abordar su destruccin qumica. El carcter oxidable de la materia orgnica hace quela transformacin en compuestos no txicos consista, en ltimo extremo, aunque nonecesariamente en la mineralizacin o conversin a dixido de carbono y agua. Enmuchos casos, el objetivo de los procesos de oxidacin no es la mineralizacincompleta, con conversin del carbono orgnico a dixido de carbono, sino latransformacin de los contaminantes en sustancias biodegradables que no originenproblemas de inhibicin de biomasa en tratamientos biolgicos convencionales o quepermitan la descarga sin originar problemas de ecotoxicidad.

La aplicacin de un mtodo u otro depende fundamentalmente de la concentracin delcontaminante y del caudal de efluente. Determinadas tcnicas, como la incineracin yalgunos tratamientos de oxidacin, son utilizables slo cuando la concentracin decompuestos orgnicos es elevada, mientras que otras, como la adsorcin y los procesosde oxidacin avanzada, son tiles en efluentes con baja concentracin decontaminante (Andreozzi, 1999).

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CAPTULO 2Tecnologas convencionales

En cuanto a los mtodos destructivos de oxidacin, stos se clasifican en doscategoras: los mtodos directos y avanzados. Los procedimientos directos se definencomo aquellos que utilizan oxgeno como agente oxidante e incluyen la incineracin, laoxidacin hmeda (Wet Air Oxidation = WAO), la oxidacin hmeda cataltica (CatalyticWet Air Oxidation = CWAO) la supercrtica (Supercritical Wet Air Oxidation = SWAO) y laoxidacin andica (AO) o electroqumica.

Tecnologas convencionales

El tratamiento de las aguas residuales es una prctica que, si bien se lleva realizandodesde la antigedad, hoy por hoy resulta algo fundamental para mantener nuestracalidad de vida. Son muchas las tcnicas de tratamiento con larga tradicin y,evidentemente, se ha mejorado mucho en el conocimiento y diseo de las mismas a lolargo de los aos. Pero no por eso han dejado de ser tcnicas imprescindibles a la horade tratar aguas industriales, y son las que, de una forma rpida, se pretenden exponeren el presente captulo.

A la hora de revisar los tratamientos unitarios ms convencionales no resulta fcilestablecer una clasificacin universal. Una de las formas ms utilizadas es en funcinde los contaminantes presentes en el agua residual, o tambin en funcin delfundamento del tratamiento (qumico, fsico o biolgico). Una forma de intentar aunarambas formas de clasificacin puede ser considerar que los contaminantes en el aguapueden estar como materia en suspensin, materia coloidal o materia disuelta.

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2.1 Tratamientos para la eliminacin de materia en suspensin

La materia en suspensin puede ser de muy diversa ndole, desde partculas de varioscentmetros y muy densas (normalmente inorgnicas), hasta suspensiones coloidalesmuy estables y con tamaos de partcula de hasta unos pocos nanmetros(normalmente de naturaleza orgnica). Tambin la concentracin de los mismos, tantoen el agua a tratar como en el agua una vez tratada, juega un papel fundamental a lahora de la eleccin del tratamiento ms conveniente.

Las operaciones para eliminar este tipo de contaminacin de aguas suelen ser lasprimeras en efectuarse, dado que la presencia de partculas en suspensin suele no serindeseable en muchos otros procesos de tratamiento.

La eliminacin de esta materia en suspensin se suele hacer mediante operacionesmecnicas. Sin embargo, en muchos casos, y para favorecer esa separacin, se utilizanaditivos qumicos, denominndose en este caso tratamientos qumico-fsicos.

A continuacin se describen las operaciones unitarias ms habituales. La utilizacin deuna u otra es funcin de las caractersticas de las partculas (tamao, densidad, forma,etc.) as como de la concentracin de las mismas.

2.1.1 Desbaste

Es una operacin en la que se trata de eliminar slidos de mayor tamao que el quehabitualmente tienen las partculas que arrastran las aguas. El objetivo es eliminarlos yevitar que daen equipos posteriores del resto de tratamientos. Suele ser untratamiento previo a cualquier otro.

El equipo que se suele utilizar son rejas por las que se hace circular el agua, construidaspor barras metlicas de 6 o ms mm, dispuestas paralelamente y espaciadas entre 10 y100 mm. Se limpian con rastrillos que se accionan normalmente de forma mecnica.

En otros casos, si el tipo de slidos lo permite, se utilizan trituradoras, reduciendo eltamao de slidos y separndose posteriormente por sedimentacin u otras operaciones.

2.1.2 Sedimentacin

Operacin fsica en la que se aprovecha la fuerza de la gravedad que hace que unapartcula ms densa que el agua tenga una trayectoria descendente, depositndose en el

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fondo del sedimentador. Esta operacin ser ms eficaz cuanto mayor sea el tamao y ladensidad de las partculas a separar del agua, es decir, cuanto mayor sea su velocidad desedimentacin, siendo el principal parmetro de diseo para estos equipos. A estaoperacin de sedimentacin se le suele denominar tambin decantacin.

Realmente, este tipo de partculas (grandes y densas, como las arenas) se tienen enpocas ocasiones en aguas industriales. Lo ms habitual es encontrar slidos pocodensos, por lo que es necesario, para hacer ms eficaz la operacin, llevar a cabo unacoagulacin-floculacin previa, que como se explicar ms adelante, consiste en laadicin de ciertos reactivos qumicos para favorecer el aumento del tamao y densidadde las partculas.

La forma de los equipos donde llevar a cabo la sedimentacin es variable, en funcinde las caractersticas de las partculas a sedimentar (tamao, forma, concentracin,densidad, etc..).

Sedimentadores rectangulares: La velocidad de desplazamiento horizontal del aguaes constante y se suelen utilizar para separar partculas densas y grandes (arenas).Este tipo de sedimentacin se denomina discreta, dado que las partculas no varansus propiedades fsicas a lo largo del desplazamiento hacia el fondo delsedimentador. Suelen ser equipos poco profundos, dado que, al menos tericamente,este parmetro no influye en la eficacia de la separacin, siendo el principalparmetro el rea horizontal del mismo.

Sedimentadores circulares: Son ms habituales. En ellos el flujo de agua suele serradial desde el centro hacia el exterior, por lo que la velocidad de desplazamientodel agua disminuye al alejarnos del centro del sedimentador. Esta forma de operar esadecuada cuando la sedimentacin va acompaada de una floculacin de laspartculas, en las que el tamao de flculo aumenta al descender las partculas, y porlo tanto aumenta su velocidad de sedimentacin.

Sedimentadores lamelares: Han surgido como alternativa a los sedimentadortespoco profundos, al conseguirse una mayor rea de sedimentacin en el mismoespacio. Consisten en tanques de poca profundidad que contienen paquetes deplacas (lamelas) o tubos inclinados respecto a la base, y por cuyo interior se hacefluir el agua de manera ascendente. En la superficie inferior se van acumulandolas partculas, desplazndose de forma descendente y recogindose en el fondo delsedimentador.

Las partculas depositadas en el fondo de los equipos (denominados fangos) searrastran mediante rasquetas desde en fondo donde se empujan hacia la salida. Estosfangos, en muchas ocasiones y en la misma planta de tratamiento, se someten adistintas operaciones para reducir su volumen y darles un destino final.

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2.1.3 Filtracin

La filtracin es una operacin en la que se hace pasar el agua a travs de un medioporoso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia en suspensin.El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura variable,dispuesta en distintas capas de distinto tamao de partcula, siendo la superior la mspequea y de entre 0.15 y 0.3 mm. Es una operacin muy utilizada en el tratamientode aguas potables, as como en el tratamiento de aguas para reutilizacin, paraeliminar la materia en suspensin que no se ha eliminado en anteriores operaciones(sedimentacin). En aguas industriales hay mas variedad en cuanto al material filtranteutilizado, siendo habitual el uso de Tierra de Diatomeas. Tambin es habitual, peramejorar la eficacia, realizar una coagulacin-floculacin previa.

Hay muchas maneras de clasificar los sistemas de filtracin: Por gravedad a presin,lenta rpida, de torta en profundidad.

Filtracin por gravedad: El agua circula verticalmente y en descenso a travs delfiltro por simple gravedad. Dentro de este tipo, podemos hablar de dos formas deoperar, que nos lleva a tener una filtracin lenta, apenas utilizados actualmente, ouna filtracin rpida. El mecanismo de la separacin de slidos es una combinacinde asentamiento, retencin, adhesin y atraccin, por lo que se eliminan partculasmucho menores que el espacio intersticial. Es un sistema muy utilizado entratamiento para aguas potables.

Filtracin por presin. Normalmente estn contenidos en recipientes y el agua se veforzada a atravesar el medio filtrante sometida a presin. Tambin en este casopuede haber filtracin lenta, en la que en la superficie del filtro se desarrolla unatorta filtrante donde la filtracin, a travs de esa superficie, es por mecanismosfsicos y biolgicos. Por otro lado, en la filtracin rpida se habla de filtracin enprofundidad, es decir, cuando la mayor parte de espesor de medio filtrante estactivo para el proceso de filtracin y la calidad del filtrado mejora con laprofundidad. Esta filtracin a presin se suele utilizar ms en aguas industriales.

En la actualidad y en algunas de sus aplicaciones, estos mtodos estn siendodesplazados por operaciones con membranas, especialmente por microfiltracin, de lasque se hablar en el captulo correspondiente.

2.1.4 Flotacin

Operacin fsica que consiste en generar pequeas burbujas de gas (aire), que seasociarn a las partculas presentes en el agua y sern elevadas hasta la superficie, dedonde son arrastradas y sacadas del sistema. Obviamente, esta forma de eliminar

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materia en suspensin ser adecuada en los casos en los que las partculas tengan unadensidad inferior o muy parecida a la del agua, as como en el caso de emulsiones, esdecir, una dispersin de gotas de un liquido inmiscible, como en el caso de aceites ygrasas. En este caso las burbujas de aire ayudan a flotar ms rpidamente estasgotas, dado que generalmente la densidad de estos lquidos es menor que la del agua.

En esta operacin hay un parmetro importante a la hora del diseo: La relacinaire/slidos, ml/l de aire liberados en el sistema por cada mg/l de concentracin deslidos en suspensin contenidos en el agua a tratar. Es un dato a determinarexperimentalmente y suele tener un valor ptimo comprendido entre 0.005 y 0.06.

En el tratamiento de aguas se utiliza aire como agente de flotacin, y en funcin decmo se introduzca en el liquido, se tienen dos sistemas de flotacin:

Flotacin por aire disuelto (DAF): En este sistema el aire se introduce en el aguaresidual bajo una presin de varias atmsferas. Los elementos principales de estosequipos son la bomba de presurizacin, el equipo de inyeccin de aire, el tanque deretencin o saturador y la unidad de flotacin propiamente dicha, donde tiene lugarla reduccin brusca de la presin, por lo que el aire disuelto se libera, formandomultitud de microburbujas de aire.

Flotacin por aire inducido: La operacin es similar al caso anterior, pero lageneracin de burbujas se realiza a travs de difusores de aire, normalmente situadosen la parte inferior del equipo de flotacin, o bien inducidas por rotores oagitadores. En este caso el tamao de las burbujas inducidas es mayor que en el casoanterior.

Histricamente la flotacin se ha utilizado para separar la materia slida o liquidaflotante, es decir, con una menor densidad que el agua. Sin embargo la mejora en lageneracin de burbujas adecuadas y la utilizacin de reactivos para favorecer laoperacin (por ejemplo sustancias que disminuyen la tensin superficial) ha hechoposible la utilizacin de esta operacin para la eliminacin de materia ms densa queel agua. As se utiliza en el tratamiento de aguas procedentes de refineras, industriade la alimentacin, pinturas, etc. Una tpica aplicacin es tambin, aunque no seaestrictamente tratamiento de aguas, el espesado de fangos. En esta operacin se tratade espesar o concentrar los fangos obtenidos en operaciones como la sedimentacin.

2.1.5 Coagulacin-Floculacin

Como ya se ha mencionado en varias ocasiones, en muchos casos parte de la materia ensuspensin puede estar formada por partculas de muy pequeo tamao (10-6 10-9 m),lo que conforma una suspensin coloidal. Estas suspensiones coloidales suelen ser muy

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estables, en muchas ocasiones debido a interacciones elctricas entre las partculas.Por tanto tienen una velocidad de sedimentacin extremadamente lenta, por lo quehara inviable un tratamiento mecnico clsico. Una forma de mejorar la eficacia detodos los sistemas de eliminacin de materia en suspensin es la adicin de ciertosreactivos qumicos que, en primer lugar, desestabilicen la suspensin coloidal(coagulacin) y a continuacin favorezcan la floculacin de las mismas para obtenerpartculas fcilmente sedimentables. Es una operacin que se utiliza a menudo, tantoen el tratamiento de aguas residuales urbanas y potables como en industriales(industria de la alimentacin, pasta de papel, textiles, etc.)

Los coagulantes suelen ser productos qumicos que en solucin aportan carga elctricacontraria a la del coloide. Habitualmente se utilizan sales con cationes de alta relacincarga/masa (Fe3+, Al3+) junto con polielectrolitos orgnicos, cuyo objetivo tambindebe ser favorecer la floculacin:

Sales de Fe3+: Pueden ser Cl3Fe o Fe2(SO4)3, con eficacia semejante. Se puedenutilizar tanto en estado slido como en disoluciones. La utilizacin de una u otraest en funcin del anin, si no se desea la presencia de cloruros o sulfatos.

Sales de Al3+: Suele ser Al2(SO4)3 o policloruro de aluminio. En el primer caso es msmanejable en disolucin, mientras que en el segundo presenta la ventaja de mayorporcentaje en peso de aluminio por kg dosificado.

Polielectrolitos: Pueden ser polmeros naturales o sintticos, no inicos(poliacrilamidas) aninicos (cidos poliacrlicos) o catinicos (polivinilaminas). Lascantidades a dosificar son mucho menores que para las sales, pero tanto la eficaciacomo el coste es mucho mayor.

TABLA 2.1 Poder coagulante relativo de distintos reactivos.

Poder coagulante relativo

Coagulante Coloides positivos Coloides negativos

NaCl 1 1

Na2SO4 30 1

Na3PO4 1000 1

MgSO4 30 30

AlCl3 1 1000

Al2(SO4)3 30 >1000

FeCl3 1 1000

Fe2(SO4)3 30 >1000

Por otro lado, la electrocoagulacin es otra forma de llevar a cabo el proceso,ampliamente utilizada en el caso de tratamiento de aguas industriales. Consiste en la

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formacin de los reactivos in situ mediante la utilizacin de una clula electroltica. Elnodo suele ser de aluminio, formndose cationes de Al3+, mientras en el ctodo segenera H2, siendo til si la separacin posterior de la materia es por flotacin (Khemisy col, (2006).

No hay reglas generales en cuanto a qu coagulante es ms eficaz en cada caso.Normalmente, para un agua residual concreta, se hace un denominado ensayo dejarras (jar test) donde se analiza la eficacia de los distintos productos (o mezclas delos mismos) as como el pH y dosificacin ptima.

TABLA 2.2 Caractersticas de algunos reactivos coagulantes

Coagulante Dosis (mg/l) pH ptimo Aplicaciones

Cal 150-500 9-11 Eliminacin de coloides (1)

Al2(SO4)3 75-250 4,5-7 Eliminacin de coloides (1)

FeCl3 35-150 4-7 Eliminacin de coloides (2)FeCl2 70-200 4-7FeSO47H2O

polmero catinico 2-5 Eliminacin de coloides (3)

Polmero aninico y no inico 0,25-1,0 Ayudante de floculacin y sedimentacin

(1) Eliminacin de coloides y de fsforo. Agua con baja alcalinidad y alta concentracin de fsforo(2) Eliminacin de coloides y de fsforo. Agua con alta alcalinidad y baja concentracin de fsforo(3) Eliminacin de coloides. Ayudante con coagulantes metlicos

Los equipos en los que se lleva a cabo este proceso, suelen constar de dos partes biendiferenciadas: Una primera donde se adicionan los reactivos, y se somete el agua a unafuerte agitacin y durante un corto periodo de tiempo, con el objetivo de conseguiruna buena y rpida mezcla de reactivos y coloide para llevar a cabo la coagulacin. Acontinuacin se pasa a una zona donde la agitacin es mucho menos intensa y dondeel agua permanece ms tiempo. En este caso el objetivo es que se produzca lafloculacin. De esta forma la materia en suspensin tiene unas caractersticas muchoms adecuadas para su eliminacin mecnica, segn las operaciones ya mencionadasanteriormente en este capitulo.

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2.2 Tratamientos para la eliminacin de materia disuelta

Al igual que en el caso de la materia en suspensin, la materia disuelta puede tenercaractersticas y concentraciones muy diversas: desde grandes cantidades de salesinorgnicas disueltas (salmueras) orgnicas (materia orgnica biodegradable en industriade alimentacin) hasta extremadamente pequeas cantidades de inorgnicos (metalespesados) y orgnicos (pesticidas) pero necesaria su eliminacin dado su carcter peligroso.

Algunos de estos tratamientos estn siendo desplazados por otros ms avanzados yemergentes, como son los procesos de oxidacin avanzada y las operaciones conmembrana, y especialmente en el caso de las aguas industriales. Por esta razn, merecenuna mayor atencin y se describirn en captulos dedicados exclusivamente a ellos.

2.2.1 Precipitacin

Consiste en la eliminacin de una sustancia disuelta indeseable, por adicin de unreactivo que forme un compuesto insoluble con el mismo, facilitando as su eliminacinpor cualquiera de los mtodos descritos en la eliminacin de la materia en suspensin.

Algunos autores incluyen en este apartado la coagulacin-floculacin. Sin embargo, eltrmino precipitacin se utiliza mas para describir procesos como la formacin de salesinsolubles, o la transformacin qumica de un in en otro con mayor o menor estado deoxidacin que provoque la formacin de un compuesto insoluble.

Un reactivo de muy frecuente uso en este tipo de operaciones es el Ca2+, dada la grancantidad de sales insolubles que forma, por ejemplo es el mtodo utilizado para laeliminacin de fosfatos (nutriente). Adems posee cierta capacidad coagulante, lo quehace su uso masivo en aguas residuales urbanas y muchas industriales decaractersticas parecidas.

2.2.2 Procesos Electroqumicos

Est basado en la utilizacin de tcnicas electroqumicas, haciendo pasar unacorriente elctrica a travs del agua (que necesariamente ha de contener unelectrolito) y provocando reacciones de oxidacin-reduccin tanto en el ctodo comoen el nodo. Por tanto se utiliza energa elctrica como vector de descontaminacinambiental, siendo su coste uno de las principales desventajas de este proceso. Sinembargo como ventajas cabe destacar la versatilidad de los equipos, la ausencia tanto

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de la utilizacin de reactivos como de la presencia de fangos y la selectividad, puescontrolar el potencial de electrodo permite seleccionar la reaccin electroqumicadominante deseada.

Las consecuencias de las reacciones que se producen pueden ser indirectas, como en elcaso de la electrocoagulacin, electroflotacin o electrofloculacin, donde losproductos formados por electrolisis sustituyen a los reactivos qumicos, y supone unaalternativa con futuro a la clsica adicin de reactivos.

Sin embargo, la aplicacin que est tomando un auge importante es en el tratamientode aguas residuales industriales, a travs de una oxidacin reduccin directa.

Oxidacin en nodo: En el nodo se puede producir la oxidacin de loscompuestos a eliminar, tanto orgnicos como inorgnicos. Esta oxidacin se puedeproducir directamente por una transferencia de electrones en la superficie delnodo o bien por la generacin de un agente oxidante in-situ. En este ltimo casose evita manipular agentes oxidantes. Entre las aplicaciones de la oxidacin directacabe destacar el tratamiento de cianuros, colorantes, compuestos orgnicos txicos(en algunas ocasiones hacindolos ms biodegradables), incluso la oxidacin deCr(III) a Cr(VI), ms txico pero que de esta forma puede ser reutilizado. En rangode concentraciones con posibilidades de utilizar este tipo de tratamiento tambines muy amplio.

Reduccin en ctodo: La principal aplicacin de esta posibilidad es la reduccin demetales txicos. Se ha utilizado en situaciones, no poco frecuentes, de reduccin demetales catinicos desde varios miles de ppms de concentracin hasta valoresincluso por debajo de la ppm. Hay una primera etapa de deposicin del metal sobrela superficie del ctodo que ha de continuarse con la remocin del mismo. Esto sepuede hacer por raspado, disolucin en otra fase, etc.

El reactor electroqumico utilizado suele ser de tipo filtro-prensa, semejante a las pilasde combustible. Este sistema permite un crecimiento modular del rea. Bsicamentecada mdulo se compone de un elemento catdico de bajo sobrevoltaje a hidrgeno(Pt, Au, Acero Inoxidable, Ni,..) y un elemento andico que utiliza como base xidos demetales nobles.

2.2.3 Intercambio Inico

Es una operacin en la que se utiliza un material, habitualmente denominado resinasde intercambio inico, que es capaz de retener selectivamente sobre su superficie losiones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, y loscede frente a una disolucin con un fuerte regenerante.

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La aplicacin habitual de estos sistemas, es por ejemplo, la eliminacin de salescuando se encuentran en bajas concentraciones, siendo tpica la aplicacin para ladesmineralizacin y el ablandamiento de aguas, as como la retencin de ciertosproductos qumicos y la desmineralizacin de jarabes de azcar.

Las propiedades que rigen el proceso de intercambio inico y que a la vez determinansus caractersticas principales son las siguientes:

Las resinas actan selectivamente, de forma que pueden preferir un in sobre otrocon valores relativos de afinidad de 15 o ms.

La reaccin de intercambio inico es reversible, es decir, puede avanzar en los dossentidos.

En la reaccin se mantiene la electroneutralidad.

Hay sustancia naturales (zeolitas) que tienen capacidad de intercambio, pero en lasindustrias se utilizan resinas polimricas de fabricacin sinttica con muy clarasventajas de uso.

TABLA 2.3 Propiedades de tpicas resinas cidas.

Parmetro Unidades Estructura de gel Estructura macroporosa

Dimetro de partcula mm 0,3-1,2 0,3-1,2

Densidad Kg m-3 850 833

Tolerancia a slidos (turbidez) NTU 5 5

Velocidad del lavado m3h-1m-2 12,2 14,7

Tiempo de lavado min 20 20

Velocidad de operacin m3h-1m-3 16-50 16-50

Velocidad de regeneracin m3h-1m-3 4 4

Capacidad total Keq m-3 1,5 1,8

Entre las ventajas del proceso inico en el tratamiento de aguas cabe destacar:

Son equipos muy verstiles siempre que se trabaje con relativas bajasconcentraciones de sales.

Actualmente las resinas tienen altas capacidades de tratamiento, resultandocompactas y econmicas

Las resinas son muy estables qumicamente, de larga duracin y fcil regeneracin

Existe cierta facilidad de automatizacin y adaptacin a situaciones especficas

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2.2.4 Adsorcin

El proceso de adsorcin consiste en la captacin de sustancias solubles en la superficiede un slido. Un parmetro fundamental es este caso ser la superficie especfica delslido, dado que el compuesto soluble a eliminar se ha de concentrar en la superficiedel mismo. La necesidad de una mayor calidad de las aguas est haciendo que estetratamiento est en auge. Es considerado como un tratamiento de refino, y por lo tantoal final de los sistemas de tratamientos ms usuales, especialmente con posterioridad aun tratamiento biolgico.

Factores que afectan a la adsorcin

Solubilidad: Menor solubilidad, mejor adsorcin.

Estructura molecular: Ms ramificada, mejor adsorcin.

Peso molecular: Grandes molculas, mejor adsorcin.

Problemas de difusin interna, pueden alterar la norma.

Polaridad: Menor polaridad, mejor adsorcin.

Grado de saturacin: Insaturados, mejor adsorcin.

El slido universalmente utilizado en el tratamiento de aguas es el carbn activo,aunque recientemente se estn desarrollando diversos materiales slidos que mejoran,en ciertas aplicaciones, las propiedades del carbn activo.

Hay dos formas clsicas de utilizacin de carbn activo, con propiedades diferentes yutilizado en diferentes aplicaciones:

Carbn activado granular (GAC). Se suele utilizar una columna como medio decontacto entre el agua a tratar y el carbn activado, en la que el agua entra por laparte inferior y asciende hacia la superior. El tamao de partcula en este caso esmayor que en el otro. Se suele utilizar para eliminar elementos traza, especialmenteorgnicos, que pueden estar presentes en el agua, y que habitualmente han resistidoun tratamiento biolgico. Son elementos, que a pesar de su pequea concentracin,en muchas ocasiones proporcionan mal olor, color o sabor al agua.

Carbn activo en polvo (CAP). Este tipo de carbn se suele utilizar en procesosbiolgicos, cuando el agua contiene elementos orgnicos que pueden resultartxicos. Tambin se suele aadir al agua a tratar, y pasado un tiempo de contacto,normalmente con agitacin, se deja sedimentar las partculas para su separacinprevia. Suelen ser operaciones llevadas a cabo en discontinuo.

La viabilidad econmica de este proceso depende de la existencia de un medio eficazde regeneracin del slido una vez agotada su capacidad de adsorcin. El GAC seregenera fcilmente por oxidacin de la materia orgnica y posterior eliminacin de lasuperficie del slido en un horno. Las propiedades del carbn activo se deterioran, por

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lo que es necesario reponer parte del mismo por carbn virgen en cada ciclo. Por otrolado el CAP es ms difcil de regenerar, pero tambin es cierto que es ms fcil deproducir.

El coste es un parmetro importante a la hora de la eleccin del adsorbente.Alternativas al carbn activo son las zeolitas, arcillas (montmorillonita, sepiolita,bentonita, etc.), los denominados adsorbentes de bajo coste, procedentes en su mayorparte de residuos slidos orgnicos. Recientemente se estn desarrollando derivados depolisacridos (biopolmeros derivados del almidn) (Crini, 2005).

La aplicaciones de la operacin de adsorcin es amplia, desde un amplio abanico desustancias orgnicas (colorantes, fenol, mercaptanos, etc) hasta metales pesados entodos sus estados de oxidacin.

2.2.5 Desinfeccin

La desinfeccin pretende la destruccin o inactivacin de los microorganismos quepuedan causarnos enfermedades, dado que el agua es uno de los principales medios porel que se transmiten. Los organismos causantes de enfermedades pueden ser bacterias,virus, protozoos y algunos otros. La desinfeccin se hace imprescindible para laproteccin de la salud pblica, si el agua a tratar tiene como finalidad el consumohumano. En el caso de aguas residuales industriales, el objetivo puede ser no solodesactivar patgenos, sino cualquier otro organismo vivo, si lo que se pretende esreutilizar el agua.

Para llevar a cabo la desinfeccin se pueden utilizar distintos tratamientos:Tratamiento fsico (calor, radiacin..), cidos o bases, etc pero fundamentalmente seutilizan agentes oxidantes, entre los que cabe destacar el clsico Cl2 y algunos de susderivados, o bien procesos de oxidacin avanzada (O3, fotocatlisis heterognea), estosltimos estudiados en el captulo correspondiente.

La utilizacin de desinfectantes persigue tres finalidades: producir agua libre depatgenos u organismos vivos, evitar la produccin de subproductos indeseables de ladesinfeccin y mantener la calidad bacteriolgica en la red conduccin posterior. Losreactivos ms utilizados son los siguientes:

Desinfeccin con cloro (Cl2): Es el oxidante ms ampliamente utilizado. Hay unaserie de factores que influyen en el proceso: Naturaleza y concentracin deorganismos a destruir, sustancias disueltas o en suspensin en el agua as como laconcentracin de cloro y el tiempo de contacto utilizado. Las sustancias presentesen el agua influyen en gran medida en la cloracin: En presencia de sustanciasorgnicas, el poder desinfectante es menor. La presencia de amonio consume cloro

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(formacin de cloraminas). El hierro y manganeso aumentan la demanda del mismo.En este sentido, es importante realizar un estudio de la demanda del cloro(breakpoint) para determinar la dosis de cloro correcta para cada tipo de agua.Adems de la dosis, es tambin importante el tiempo de contacto, de manera que elparmetro a utilizar es la expresin Ct: Concentracin de desinfectante final enmg/l (C) y tiempo de exposicin mnimo en minutos (t). Normalmente la expresinutilizada es Cnt=constante, que para el cloro adopta valores entre 0.5 y 1.5. Sinembargo, uno de las principales desventajas de la utilizacin del cloro comodesinfectante es la posibilidad de formacin, aunque en cantidades muy reducidas,de compuestos como los trihalometanos.

Otros compuestos clorados: El hipoclorito sdico, fabricado a partir del Cl2 estambin utilizado como desinfectante en sistemas con menores caudales de trabajo,aunque las propiedades son muy semejantes a las del Cl2. Otro compuesto conposibilidades de utilizacin es el ClO2, ms oxidante que el cloro, no reacciona conamonio, por tanto no forma cloraminas y parece ser que la posibilidad de formacinde trihalometano es mucho menor que con Cl2. Todas estas ventajas estn abriendonuevas posibilidades a la utilizacin de este compuesto para la desinfeccin.

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2.3 Tratamientos biolgicosConstituyen una serie de importantes procesos de tratamiento que tienen en comn lautilizacin de microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar acabo la eliminacin de componentes indeseables del agua, aprovechando la actividadmetablica de los mismos sobre esos componentes. La aplicacin tradicional consisteen la eliminacin de materia orgnica biodegradable, tanto soluble como coloidal, ascomo la eliminacin de compuestos que contienen elementos nutrientes (N y P). Esuno de los tratamientos ms habituales, no solo en el caso de aguas residualesurbanas, sino en buena parte de las aguas industriales.

En la mayor parte de los casos, la materia orgnica constituye la fuente de energa y decarbono que necesitan los microorganismos para su crecimiento. Adems, tambin esnecesaria la presencia de nutrientes, que contengan los elementos esenciales para elcrecimiento, especialmente los compuestos que contengan N y P, y por ltimo, en elcaso de sistema aerobio, la presencia de oxgeno disuelto en el agua. Este ltimoaspecto ser clave a la hora de elegir el proceso biolgico ms conveniente.

En el metabolismo bacteriano juega un papel fundamental el elemento aceptor deelectrones en los procesos de oxidacin de la materia orgnica. Este aspecto, adems,tiene una importante incidencia en las posibilidades de aplicacin al tratamiento deaguas. Atendiendo a cual es dicho aceptor de electrones distinguimos tres casos:

Sistemas aerobios: La presencia de O2 hace que este elemento sea el aceptor deelectrones, por lo que se obtienen unos rendimientos energticos elevados,provocando un importante generacin de fangos, debido al alto crecimiento de lasbacterias aerobias. Su aplicacin a aguas residuales puede estar muy condicionadapor la baja solubilidad del oxgeno en el agua.

Sistemas anaerobios: En este caso el aceptor de electrones puede ser el CO2 o partede la propia materia orgnica, obtenindose como producto de esta reduccin elcarbono es su estado mas reducido, CH4. La utilizacin de este sistema, tendra,como ya se explicar, como ventaja importante, la obtencin de un gas combustible.

Sistemas anxicos: Se denominan as los sistemas en los que la ausencia de O2 y lapresencia de NO3

- hacen que este ltimo elemento sea el aceptor de electrones,transformndose, entre otros, en N2, elemento completamente inerte. Por tanto esposible, en ciertas condiciones, conseguir una eliminacin biolgica de nitratos(desnitrificacin).

Teniendo en cuenta todos estos aspectos, existe una gran variedad de formas de operar,dependiendo de las caractersticas del agua, as como de la carga orgnica a tratar.

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2.3.1 Procesos biolgicos aerobios

Son muchas las posibilidades de tratamiento:

Cultivos en suspensin: Proceso de fangos activados (lodos activados), ymodificaciones en la forma de operar: aireacin prolongada, contacto-estabilizacin,reactor discontinuo secuencial (SBR).

Cultivos fijos: Los microorganismos se pueden inmovilizar en la superficie de slidos(biomasa soportada), destacando los filtros percoladores (tambin conocido comolechos bacterianos o filtros biolgicos).

2.3.1.1 Fangos activados: Proceso bsico

Consiste en poner en contacto en un medio aerobio, normalmente en una balsaaireada, el agua residual con flculos biolgicos previamente formados, el los que seadsorbe la materia orgnica y donde es degradada por las bacterias presentes. Juntocon el proceso de degradacin, y para separar los flculos del agua, se ha de llevar acabo una sedimentacin, donde se realiza un recirculacin de parte de los fangos, paramantener una elevada concentracin de microorganismos en el interior de reactor,adems de una purga equivalente a la cantidad crecida de organismos. Un esquemasimplificado se muestra en la figura 2.1.

FIGURA 2.1 Proceso de fangos activados.

Dentro de los parmetros bsicos de funcionamiento, un parmetro muy importantees el de la aireacin. La solubilidad del oxgeno en el agua es pequea (en torno a8-9 mgO2/l dependiendo de presin y temperatura) por lo que ser necesarioasegurar el suministro a los microorganismos, utilizando aireadores superficiales,capaces de suministrar 1 kgO2/kWh, o bien difusores. El valor mnimo deoperacin aconsejable de concentracin de oxgeno disuelto es de 2 mg/l. Elconsumo elctrico en esta operacin ser importante dentro de los costes deoperacin del proceso.

Recirculacin de fangosPurga

Alimentacinfresca

Alimentacincombinada

Efluentereactor

Efluentefinal

Reactor

Aireacin

Sedimentadorsecundario

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Otro parmetro clave en el proceso se refiere al parmetro A/M, algunas vecesdenominada I, intensidad de carga. Se refiere a la relacin entre la carga orgnicaalimentada y la cantidad de microorganismos disponibles en el sistema, con unidadeskgDBO5( o DQO) / kgSSVda. Es un parmetro de diseo fundamental, teniendo unvalor ptimo entre 0.3-0.6 para las condiciones ms convencionales de funcionamiento.Adems tiene una influencia determinante en la buena sedimentacin posterior.

La denominada edad celular tambin es un parmetro importante. Se refiere al tiempomedio que permanecen los fangos (flculos, microorganismos) en el interior del sistema. Estamagnitud suele tener un valor de 5-8 das en condiciones convencionales de operacin.

2.3.1.2 Fangos activados: Modificaciones del proceso bsico

Son procesos de fangos activados, pero se diferencian en la forma de operar.

Aireacin prolongada. Se suele trabajar con relaciones A/M ms pequeas (mayorestiempos de residencia), consiguiendo mayores rendimiento en la degradacin demateria orgnica. Otra ventaja aadida es la pequea generacin de fangos dedepuradora. Es interesante su utilizacin, adems, cuando se pretendan eliminarcompuestos con nitrgeno simultneamente con la materia orgnica.

Contacto estabilizacin: En el reactor de aireacin se suele trabajar con menorestiempos de residencia (sobre una hora) pretendiendo que se lleve a cabo solo laadsorcin de la materia orgnica en los flculos. La verdadera degradacin se realizaen una balsa de aireacin insertada en la corriente de recirculacin de fangos, tal ycomo muestra la figura 2.2, y donde la concentracin de fangos es mucho mselevada que en el primer reactor. Es interesante esta opcin cuando buena parte dela materia orgnica a degradar se encuentra como materia en suspensin.

FIGURA 2.2 Proceso biolgico de contacto-estabilizacin.

Purga

Efluentereactor Efluente

Reactorde contacto

Alimentacinfresca

Reactorde estabilizacin

Sedimentador

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Reactores discontinuos secuenciales (SBR): Todas las operaciones (aireacin ysedimentacin) se llevan a cabo en el mismo equipo, incluyendo una etapa dellenado y terminando con la evacuacin del agua tratada. Es una opcin muy vlidapara situaciones en las que se dispone de poco espacio, como ocurre en muchasindustrias. Son verstiles en cuanto a las condiciones de operacin y habitualmentese utilizan columnas de burbujeo como reactores.

TABLA 2.4 Parmetros de operacin tpicos en procesos de fangos activados.

Convencional Aireacin prolongada Contacto estabilizacin

A/M (kgDBO5/kgXVd) 0.2-0.4 0.05-0.15 0.2-0.6

TRH (h) 4-8 18-36 3-6

TRS (d) 5-15 20-30 5-15

MLTSS (ppm) 1500-3000 1500-5000 4000-9000

Carga orgnica (kgDBO5/m

3d) 0.3-0.6 0.1-0.4 1.0-1.2

r (%) 25-50 5-15 5-15

2.3.1.3 Procesos aerobios con biomasa soportada

Otra de las formas para conseguir concentraciones suficientes de microorganismos, sinnecesidad de recirculacin, es favoreciendo su crecimiento en la superficie de slidos.Se evitan de esta forma los posibles problemas en la sedimentacin y recirculacin defangos, frecuente en los procesos clsicos de fangos activados. Sin embargo el aportede oxgeno ser de nuevo un factor importante, consiguindose en este caso bien en ladistribucin del lquido, bien por movimiento del sistema.

Filtros percoladores: Tambin denominados filtros biolgicos o lechosbacterianos. Son los sistemas aerobios de biomasa inmovilizada ms extendidosen la industria. Suelen ser lechos fijos de gran dimetro, rellenos con rocas opiezas de plstico o cermica con formas especiales para desarrollar una gransuperficie. Sobre la superficie crece una fina capa de biomasa, sobre la que sedispersa el agua residual a tratar, que moja en su descenso la superficie. Almismo tiempo, ha de quedar espacio suficiente para que circule aire, queasciende de forma natural. El crecimiento de la biomasa provoca que parte delos microorganismos se desprendan de la superficie, y por lo tanto, seguirsiendo necesaria una sedimentacin posterior para su separacin del efluente.En general tambin se realiza una recirculacin de parte del efluente limpio,una vez producida la separacin. Un esquema sencillo se muestra en la figura2.3. En estos sistemas, la velocidad de carga orgnica es el parmetro ms

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importante, teniendo rangos de aplicacin en la industria desde 30 a 10.000kgDBO5/da y 100m

3 de reactor, siendo los tamaos muy variables (desde 2hasta 10 m de altura).

FIGURA 2.3 Diagrama de operacin tpico de un filtro percolador.

Contactores Biolgicos Rotatorios (RBC): Biodiscos: Consisten en una serie deplacas o discos, soportados en un eje y parcialmente sumergidos (40%) en una balsaque contiene el agua residual. El eje junto con los discos, gira lentamente. Sobre lasuperficie de los disco crece la biopelcula, que sucesivamente, se moja y entra encontacto con el aire, producindose la degradacin de la materia orgnica. Sonfciles de manejar y convenientes cuando se trata de pequeos caudales.Normalmente el tamao es de entre 1 y 3 m de dimetro, est separados unos 10-20cm y con velocidades de giro de 0.5-3 rpm.

2.3.2 Procesos biolgicos anaerobios

El tratamiento anaerobio es un proceso biolgico ampliamente utilizado en eltratamiento de aguas residuales. Cuando stas tienen una alta carga orgnica, sepresenta como nica alternativa frente al que seria un costoso tratamiento aerobio,debido al suministro de oxgeno. El tratamiento anaerobio se caracteriza por laproduccin del denominado biogas, formado fundamentalmente por metano (60-80%)y dixido de carbono (40-20%) y susceptible de ser utilizado como combustible para lageneracin de energa trmica y/o elctrica. Adems, solo una pequea parte de la DQOtratada (5-10%) se utiliza para formar nuevas bacterias, frente al 50-70% de unproceso aerobio. Sin embargo, la lentitud del proceso anaerobio obliga a trabajar conaltos tiempos de residencia, por lo que es necesario disear reactores o digestores conuna alta concentracin de microorganismos.

Realmente, es un complejo proceso en el que intervienen varios grupos de bacterias,tanto anaerobias estrictas como facultativas, en el que, a travs de una serie de

EfluenteInfluente

Recirculacin

Filtro

Fango

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etapas y en ausencia de oxgeno, se desemboca fundamentalmente en la formacin demetano y dixido de carbono. Cada etapa del proceso, que se describen acontinuacin, la llevan a cabo grupos distintos de bacterias, que han de estar enperfecto equilibrio.

Hidrlisis: La hidrlisis es la ruptura de molculas grandes, solubles e insolubles, enmolculas de menor tamao que pueden ser transportadas dentro de las clulas ymetabolizadas. En este proceso no se produce metano, y en la mayor parte de los casossupone una etapa que se desarrolla lentamente.

Formacin de cidos (acidognesis) y acetato (acetognesis): Los productos finalesde la hidrlisis son transformados en cidos orgnicos de cadena corta, otroscompuestos de bajo peso molecular, hidrgeno y dixido de carbono. Estas bacteriasson altamente resistentes a variaciones en las condiciones ambientales. Por ejemplo,aunque el pH ptimo para el desarrollo de su actividad metablica es 5-6, los procesosanaerobios generalmente son conducidos a pH 7, y an en estas condiciones suactividad metablica no decae.

Metanognesis: La formacin de metano, siendo este el ltimo producto de ladigestin anaerobia, ocurre por dos grandes rutas: La primera de ellas, es laformacin de metano y dixido de carbono a partir del principal producto de lafermentacin, el cido actico. Las bacterias que consumen el cido actico sedenominan bacterias acetoclastas. La reaccin, planteada de forma general, es lasiguiente:

CH3COOH CH4 + CO2

Algunas bacterias metanognicas son tambin capaces de usar el hidrgeno parareducir el dixido de carbono a metano (metanognicas hidrogenoclastas) segn lareaccin:

4H2 +CO2 CH4 + 2 H2O

La metanognesis es la etapa crtica en el proceso de degradacin, por lascaractersticas de las bacterias que la llevan a cabo, y por ser la ms lenta de todoel proceso. En buena medida, la digestin anaerobia se ha de llevar a cabo en lascondiciones ptimas para el buen funcionamiento de estas bacteriasmetanognicas.

Actualmente est ampliamente aceptado que la degradacin de la materia orgnicasigue una distribucin como la detallada, y que se muestra resumida en la figura 2.4

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FIGURA 2.4 Esquema de la ruta de degradacin anaerobia.

Entre las ventajas mas significativas del tratamiento anaerobio frente al aerobio cabedestacar la alta eficacia de los sistemas, incluso en aguas residuales de alta carga, elbajo consumo de energa, pequea produccin de fangos y por tanto, pequeorequerimiento de nutrientes, as como su eficacia ante alteraciones importantes de cargay posibilidad de grandes periodos de parada sin alteracin importante en la poblacinbacteriana. Sin embargo, como desventajas caben destacar la baja efectividad en laeliminacin de nutrientes y patgenos, generacin de malos olores y la necesidad de unpost-tratamiento, generalmente aerobio, para alcanzar los niveles de depuracindemandados, as como los generalmente largos periodos de puesta en marcha.

2.3.2.1 Condiciones de operacin

Tanto las variables fsicas como las qumicas influyen en el hbitat de los microorganismos. Enlos procesos anaerobios es importante tener en cuenta la influencia de factoresmedioambientales. Las bacterias formadoras de metano son las ms sensibles a estos factores,por lo que un funcionamiento inadecuado de las mismas pueden causar una acumulacin deproductos intermedios (cidos) y desestabilizar por completo el sistema. Entre las variablesms importantes se encuentran la temperatura, el pH y la disponibilidad de nutrientes.

Por otro lado, la mezcla es un factor importante en el control del pH y en launiformidad de las condiciones medioambientales. Una buena mezcla distribuye las

Materia orgnica compleja

Hidrlisis

Compuestos orgnicos simples

Acidognesis

cidos grasos voltiles

Acetognesis

Metanognesis

CH4 y CO2

H2 y CO2 Actico

5% 20%

35%10%

13% 17%

28% 72%

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propiedades tampn a todo el reactor y evita la concentracin de metabolitosintermedios que pueden ser causa de inhibicin para las bacterias metanognicas.

Los parmetros de seguimiento y control de un digestor anaerobio pueden situarse en la faseslida (materiales orgnicos e inorgnicos en suspensin); fase lquida (parmetros fsico-qumicos y composicin) y gaseosa (produccin y composicin) Estos parmetros pueden tenerdiferente significado y utilidad segn la situacin particular del equipo, que puede encontrarseen un perodo de puesta en marcha, en estado estacionario para sistemas continuos, o ensistemas discontinuos. Entre los parmetros de operacin se pueden mencionar velocidad decarga orgnica, toxicidad, velocidad volumtrica de flujo, tiempo de retencin hidrulico,concentracin de slidos voltiles en el reactor, produccin de fangos, etc.

2.3.2.2 Reactores utilizados

El desarrollo del tratamiento anaerobio ha sido paralelo al desarrollo del tipo de reactordonde llevar acabo el proceso. Dado el bajo crecimiento de las bacterias metanognicas y lalentitud con la que llevan a cabo la formacin de metano, es necesario desarrollar diseosen los que se consiga una alta concentracin de microorganismos (SSV) en su interior si sequiere evitar el utilizar reactores de gran tamao. Para conseguirlo, habitualmente esnecesario que el tiempo de retencin hidrulico (TRH) sea inferior al tiempo de retencin deslidos (TRS) y esto se puede hacer por distintos medios. A todos estos reactores se lesdenomina de alta carga, dado que son los nicos que pueden tratar aguas con elevada cargaorgnica de una forma viable. Dando un repaso a los ms utilizados, podemos hablar de:

Reactor de contacto (mezcla completa con recirculacin de biomasa): Se trata delequivalente al proceso de fangos activados aerobio. Consiste un tanque cerrado con unagitador donde tiene una entrada para el agua residual a tratar y dos salidas, una para elbiogs generado y otra para la salida del efluente. Este efluente se lleva a un decantadordonde es recirculada la biomasa de la parte inferior del decantador al reactor, para evitarla prdida de la misma. Los principales problemas que presentan radican en la necesidadde recircular los lodos del decantador y de una buena sedimentacin de los mismos Lafigura 2.5 representa esquemticamente las caractersticas de un reactor de este tipo.

FIGURA 2.5 Reactor anaerobio de contacto.

Recirculacin de fangosPurga

Alimentacinfresca

Alimentacincombinada

Efluentereactor EfluenteSedimentador

Gas (CH4, CO2)

Reactor

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Reactor de manto de lodos y flujo ascendente (UASB, Upflow Anaerobic SludgeBlanket): Estos reactores solucionan el problema de recirculacin de lodos alaumentar la concentracin de biomasa en el reactor mantenindola en su interior.Estos reactores fueron desarrollados en Holanda, por el Prof. Lettinga en la dcadade los 80. Se trata de un reactor cuyo lecho esta formado por grnulos de biomasa.Estos grnulos son porosos y con una densidad poco mayor que la del lquido, con loque se consigue un buen contacto de ste con la biomasa. Los reactores suelen teneren su parte superior un sistema de separacin gas-slido-lquido, puesto que seacumula biogs alrededor de las partculas, stas manifiestan una tendencia aascender separndose con estos dispositivos. Se consigue una alta concentracin debiomasa dentro del reactor que conlleva una elevada velocidad de eliminacin demateria orgnica con rendimientos elevados de depuracin. El agua residual seintroduce por la parte inferior, homogneamente repartida y ascendiendo lentamentea travs del manto de lodos (grnulos). Los principales problemas que tiene este tipode reactor son: puesta en marcha, ya que se ha de conseguir que se desarrollengrnulos lo ms estables posibles, la incidencia negativa que tiene el que el aguaresidual a tratar contenga una gran cantidad de slidos en suspensin y la deficientemezcla en la fase lquida que se logra. Este ltimo problema se soluciona de unaforma eficaz recirculando parte del gas producido e inyectndolo en la parte inferiorde equipo, consiguiendo una expansin del manto de lodos, y por lo tanto, unabuena mezcla. A estos reactores se les denomina EGSB (Expanded granular sludgeblanket). Habitualmente la relacin altura/dimetro es mayor que para losconvencionales UASB siendo capaces de alcanzar mayores cargas orgnicas (10-25 kgDQO/m3da). Tambin recientemente se ha desarrollado un sistema semejantedenominado Internal Circulation (IC). Estos tipos de reactores han conseguido unamuy alta implantacin en el mercado, mostrndose como los mas fiables para todotipo de aguas residuales de alta carga, especialmente las que tiene un bajocontenido de slidos en suspensin.

FIGURA 2.6 Reactor UASB.

Entrada de agua residual

Salida de agua

Purga de lodosManto de lodos

Gas

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Filtro anaerobio (FA): En este caso, los microorganismos anaerobios sedesarrollan sobre la superficie de un slido formando una biopelcula de espesorvariable. El slido permanece inmvil en el interior del equipo, habitualmenteuna columna, constituyendo un lecho fijo. El agua residual se hace circular atravs del lecho, bien con flujo ascendente o bien descendente, donde entra encontacto con la biopelcula. Son sistemas tradicionalmente utilizados en muchasdepuradoras de aguas residuales industriales con alta carga orgnica. Resistenmuy bien alteraciones de carga en el influente pero no aceptan gran cantidad deslidos en suspensin con el influente. El rango tpico de cargas tratadas desde 5-15 KgDQO/m3da.

Reactor anaerobio de lecho fluidizado (RALF): Son columnas en cuyo interiorse introducen partculas de un slido poroso (arena, piedra pmez, biolita, etc..)y de un tamao variable (1-5 mm) con el objetivo de que sobre su superficie sedesarrolle una biopelcula bacteriana que lleve a cabo la degradacin anaerobia.Para que las partculas permanezcan fluidizadas (en suspensin), es necesariorealizar una recirculacin del lquido, para que la velocidad del mismo en elinterior de la columna sea suficiente como para mantener dichas partculasexpandidas o fluidizadas. Este tipo de equipos se han comprobado como muyeficaces, al menos en escala laboratorio o planta piloto. Se consiguen muy altasconcentraciones de microorganismos, as como una muy buena mezcla en ellecho. Sin embargo su implantacin a nivel industrial no ha alcanzado lasexpectativas que se crearon.

Otros tipos de reactores: Ms que otros tipos de reactores, nos referimos adistintas formas de operar, de llevar a cabo la degradacin anaerobia. Tenemospor una parte los reactores discontinuos secuenciales (SBR, sequencing batchreactors), equipo en el que de forma secuencial se lleva a cabo el llenado,reaccin, sedimentacin y evacuacin del agua depurada, para volver otra vez ainiciar el ciclo, todo ello en un mismo equipo. Como ventaja fundamental tieneel menor requerimiento espacio, as como una mayor flexibilidad en la forma deoperar, por ejemplo en el caso de flujos estacionales, ayudado por la grancapacidad de las bacterias para estas situaciones.

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FIGURA 2.7 Reactor anaerobio de lecho fluidizado.

Por otro lado, especialmente para el caso en el que la materia orgnica a degradar seacompleja, y en el que la etapa de hidrlisis sea importante, se suele llevar a cabo ladegradacin en dos etapas, en dos reactores en serie. En el primero se ponen lascondiciones necesarias para que se realice la hidrlisis y acidificacin de forma ptima(por ejemplo a pH=6), sin formacin de metano. El efluente de este reactor,constituido fundamentalmente por cidos de cadena corta, pasa al reactormetanognico, donde las bacterias metanognicas, mayoritarias, llevarn a cabo lametanizacin final del residuo. Estos equipos se han puesto en prctica desde hacetiempo, con xito, incluso para la metanizacin de la fraccin orgnica de los RSU, amenudo mezclados con lodos de depuradoras.

Finalmente, en la tabla 2.5 se muestran caractersticas y datos tcnicoscorrespondientes a las distintas configuraciones de reactores anaerobios.

TABLA 2.5 Condiciones de operacin para distintos reactores anaerobios.

Reactor DQO de entrada Tiempo de retencin Carga orgnica Eliminacin (mg/l) hidrulico (h) (kg DQO/m3 da) de DQO (%)

De contacto 1.500-5.000 2-10 0,5-2,5 75-90

EGSB 5.000-15.000 4-12 15,0-25,0 75-85

FA 10.000-20.000 24-48 5,0-55,0 75-85

RALF 5.000-10.000 5-10 5,0-10,0 80-85

Lechofluidizado

Trampade arena

Salida

Bomba derecirculacin

Entradade aguaresidual

Gas (CH4, CO2)

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El tratamiento anaerobio, por tanto, constituye una forma eficaz de tratar aguas yresiduos de alta carga orgnica, siendo una tecnologa madura y contribuyendo no soloa la eliminacin de la materia orgnica, sino a su aprovechamiento energtico derivadode la utilizacin del metano producido.

Dependiendo del tipo de agua residual y de otros factores relacionados con cada aplicacinparticular, una tecnologa anaerobia puede ser ms apropiada y eficaz que otra.

2.3.3 Procesos biolgicos de eliminacin de nutrientes

Otra de las aplicaciones de los tratamientos biolgicos es la eliminacin de nutrientes,es decir, de compuestos que contienen tanto nitrgeno como fsforo.

2.3.3.1 Tratamiento biolgico de compuestos con nitrgeno

Los compuestos con nitrgeno sufren una serie de transformaciones como consecuencia de laaccin de distintos organismos, como se muestra en la figura 2.8. En primer lugar, una seriede bacterias auttrofas (Nitrosomonas y Nitrobacter) son capaces de llevar a cabo unanitrificacin, con demanda de oxgeno. A continuacin, otra serie de bacterias desnitrificantesllevan a cabo la eliminacin de NO3

- , en un sistema anxico, donde el propio nitrato acta deaceptor de electrones, siendo en este caso bacterias hetertrofas, es decir su fuente decarbono es materia orgnica. Este proceso en su conjunto es conocido como nitrificacin-desnitrificacin. De esta forma y en dos reactores consecutivos se puede llevar a cabo laeliminacin de compuestos con nitrgeno: primero en un reactor aerobio seguido de otro concondiciones anxicas, pero en el que ser necesario adicionar fuente de carbono para eldesarrollo de las bacterias desnitrificantes. El sistema en su conjunto suele ser semejante alproceso de fangos activados, pero utilizando los reactores en las condiciones comentadas.

FIGURA 2.8

Nitrgeno gas (N2)

Nitrgenoorgnico

(proteinas, urea)

Nitrgenoamoniacal

Nitrito (NO2)

Nitrato (NO3)

Nitrgenoorgnico

(bacterias)

Nitrgeno orgnico(crecimiento neto)

Asimilacin

Respiracin endgena

Carbono orgnico

O2

O2

Desnitrificacin

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Sin embargo, es muy comn la presencia de materia orgnica con materianitrogenada en aguas residuales, no solo en aguas residuales urbanas, y la tendenciaes la eliminacin conjunta de ambos contaminantes. En este caso no se puede seguirla secuencia mencionada: En el primer reactor de nitrificacin la materia orgnicainactivara las bacterias nitrificantes, y en el segundo se necesitara materiaorgnica. Para evitar estos problemas, es necesario iniciar el proceso con un reactoranxico, donde la materia orgnica del agua residual acta como fuente de carbono,pero sera necesario recircular parte del efluente del segundo reactor de nitrificacin:en este reactor se producirn nitratos, y sera un reactor aerobio. Un esquemasimplificado se muestra en la figura 2.9.

FIGURA 2.9 Proceso biolgico de nitrificacin-desnitrificacin.

El proceso es semejante al de fangos activados, pero para que se alcance lanitrificacin y desnitrificacin es necesario trabajar con relaciones A/M por debajo de0.15 dias-1, como ocurre en procesos de aireacin prolongada. Otra forma de llevar acabo la eliminacin conjunta de compuestos con nitrgeno y materia orgnicautilizando un nico reactor es en los denominados canales de oxidacin, en los quetanto el punto de alimentacin del agua residual como el de aireacin han de tenerunas posiciones estratgicas, como se indica en la figura 2.10.

FIGURA 2.10 Canal de oxidacin.

Zonaanxica

Rotoraireacin

Recirculacin de lodosLodos

Afluente

Efluente

Decantador

Zonaaerobia

Afluente Efluente

Tanque anxico

Desnitrificacin

ClarificadorTanque aerobio

Oxidacin ynitrificacin

Recirculacin de nitratos

Recirculacin de lodos Lodos

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2.3.3.2 Eliminacin Biolgica del Fsforo

Aunque la eliminacin del fsforo (en forma de fosfato) ha sido tradicionalmente porprecipitacin con Ca2+, se han desarrollado mtodos para su eliminacin biolgica, msall de lo que supone la simple asimilacin por parte de los organismos para integrarloen su crecimiento celular. Todava no est perfectamente descrita la accin de losmicroorganismos, entre los que son especialmente activos los Acinetobacter.

Los mtodos estn basados en someter inicialmente a la masa bacteriana a unambiente anaerobio, donde los microorganismos parece que tienen tendencia a noconsumir fsforo para el crecimiento debido a la presencia de cido actico. Sinembargo, si posteriormente son sometidos a un sistema aerobio, consumen conavidez fsforo, momento en el que se sedimentan y separan. Son muchos los procesosque se han desarrollado, tanto para la eliminacin conjunta de P y materia orgnica(procesos PhoStrip, Bardenpho, etc), como para tambin la materia nitrogenada (A2O,Bardenpho modificado) En todos ellos el reactor suele ser un balsa alargada,compartimentada de forma que en cada zona se somete a la masa microbiana alambiente adecuado (anaerobio, anxico, aerobio).En la figura 2.11 se muestra lasecuencia en el proceso Bardenpho modificado, para la eliminacin conjunta de materiaorgnica, y compuestos con N y P.

FIGURA 2.11 Proceso biolgico Bardenpho modificado.

Efluente

Clarificador

Afluente

~10% ~20% ~40% ~20%

Tecnologas emergentes

CAPTULO 3

3.1 Oxidacin (PG. 46)

3.1.1 Oxidacin Qumica (PG. 46)3.1.2 Procesos avanzados de oxidacin (AOP) (PG. 48)3.1.3 Aplicaciones de los mtodos de oxidacin directa (PG. 57)3.1.4 Tendencias en el desarrollo de los mtodos de oxidacin avanzada (PG. 61)

3.2 Membranas (PG. 63)

3.2.1 Tipos de Membranas (PG. 64)3.2.2 Configuraciones (PG. 65)3.2.3 Formas de operar (PG. 69)3.2.4 Factores que reducen las prestaciones de las membranas (PG. 70)3.2.5 Tecnologas de tratamiento de aguas residuales industriales y de proceso con membranas (PG. 73)3.2.6 Reactores biolgicos de membranas (MBR) (PG. 91)

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3.1 Oxidacin

3.1.1 Oxidacin Qumica

Incineracin: Consiste en la oxidacin trmica completa del residuo en fase gas y atemperatura elevada. Es un mtodo til nicamente cuando se trata de pequeascantidades de aguas con una concentracin elevada de contaminantes oxidables. Encaso contrario, los costes de operacin asociados a la necesidad de utilizar uncombustible auxiliar, se vuelven excesivos. Aunque los costes de inmovilizado sonelevados, la tecnologa est bien establecida. Puede ser una buena eleccintecnolgica cuando se utiliza en combinacin con una operacin de separacinprevia que concentre el contaminante, por ejemplo una ultrafiltracin. An as, en eltratamiento de efluentes lquidos resulta una tcnica costosa adems de impopular.

Oxidacin hmeda no cataltica (WAO): La oxidacin hmeda es un proceso clsicode tratamiento que se ha venido aplicando desde hace ms de cincuenta aos y en elcual la materia orgnica, soluble o en suspensin, se oxida con oxgeno disueltoprocedente de aire o corrientes gaseosas enriquecidas en oxgeno. La qumica delproceso transcurre por va radicalaria, de forma que son los radicales formados apartir del oxgeno, los que reaccionan con la materia orgnica. Por este motivo, laoxidacin hmeda, tanto cataltica como no cataltica, se incluye a veces entre losprocesos avanzados de oxidacin, cuya caracterstica definitoria es la implicacin deradicales hidroxilo como agentes oxidantes indirectos. Aqu se ha reservado, sinembargo, la denominacin de avanzados para los procesos basados especficamenteen la promocin de radicales hidroxilo. Los dems, que pueden incluir hidroxilosentre las especies oxidantes, pero cuyo diseo no est determinado por sugeneracin, se han clasificado como procesos de oxidacin directa. Unacaracterstica esencial de los procesos de oxidacin hmeda no cataltica es laformacin de cidos carboxlicos como productos finales no mineralizables y queesencialmente corresponden a los cidos frmico, actico y oxlico. La proporcin deestos compuestos es variable en funcin de los parmetros de diseo del proceso,pero tpicamente representan el 5-10% del carbono orgnico total (Total OrganicCarbon = TOC) del efluente de partida. Puesto que se tata de compuestosbiodegradables, es posible limitar la extensin de la oxidacin teniendo en cuentaque se trata de compuestos que no presentan problemas de toxicidad endepuradoras. Si, por el contrario, las concentraciones de contaminante son bajas yno es posible utilizar la oxidacin como pretratamiento antes de un sistema dedepuracin biolgica, es necesario utilizar catalizadores con el fin de evitartemperaturas de proceso prohibitivas. La temperatura de tratamiento de los procesosde oxidacin hmeda es funcin de la naturaleza de los compuestos que se debendegradar, pero en general oscila entre 150 y 350C con una presin de operacin

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CAPTULO 3Tecnologas em

ergentes

entre 20 y 200 bar dependiendo esencialmente de la temperatura. El rendimiento dela oxidacin, medido como porcentaje de demanda qumica de oxgeno oscila entre el75 y el 90%. La oxidacin hmeda se puede aplicar en corrientes cuyo contenido enmateria oxidable oscile entre 500 y 1500

vt2 tratamientos avanzados de aguas residuales industriales

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