Ecosistema: Comunidad de organismos vivos que ineractúan unos con otros y con su entorno físico, luz solar, agua y nutrientes

Tratamiento de efluentes

Tratamiento de efluentes

Bioprocesos II

Bioprocesos II –

– 2011

2011

Sebastián Cavalitto

Sebastián Cavalitto

Ecosistema: Comunidad de organismos

vivos que ineractúan unos con otros y con su entorno físico, luz solar, agua y nutrientes

Ciclo del carbono

El 85 % corresponde a los océanos la mayoría como CO₂ o sus iones.

Ciclo del nitrógeno

Llega a los cursos de agua como NO₃

-Se fija en la biomasa como amino

Se vuelve a oxidar por bacterias nitrificantes

Ciclo del fósforo

Esta mayormente como ortofosfatos

Proviene de sedimentos terrestres o de desechos humanos Siempre se mantiene en el mismo estado de oxidación

2 2 2

. . microorg .

Mat org + FN + +P O →

µ

Esta ecuación hace que los ciclos se mantengan en estado estacionario

Debe reponerse el O₂ para que el sistema siga funcionando

Si existe un ingreso de materia orgánica se incrementa el consumos de O2 y el sistema sale de balance.

el consumos de O2 y el sistema sale de balance. Si el O2 se agota aparece flora anaeróbica

2 2 4

. . microorg .

Mat org →

µ

Si existen metales pesados, se forman compuestos organometálicos que tienen mayor toxicidad que los metales solos.

CONTAMINACION

Condición en la que un medio o ambiente se vuelve inadecuado para el fin a que se destinó

Tiene dos implicaciones:

1 La contaminación es relativa al uso que se desea dar al medio.

2: Resulta un desperdicio purificar el agua más allá de los requerimientos necesarios.

CONTAMINACION DE AGUA (Desde el punto de vista ambiental):

Introducción de organismos, sustancias o energía resultante de la actividad humana que impide el uso legítimo como recurso natural o como medio ambiente natural.

Fuentes de contaminación Fuentes Puntuales

Aguas Negras domesticas: Desechos de hogares, escuelas, oficinas y comercios

Desechos Industriales:

Aguas negras municipales: AN domesticas mezcladas Aguas negras municipales: AN domesticas mezcladas con desechos industriales permitidos

Fuentes no puntuales

Escurrimientos urbanos o agrícolas

Las originadas por agua de lluvia urbana recolectada en redes pluviales combinadas es mas compleja de combatir redes pluviales combinadas es mas compleja de combatir

Tipos de contaminantes

Material que demanda oxígeno (materia orgánica y compuestos nitrogenados)

Nutrientes: Nitrógeno y fósforo (eutroficación de cursos de

agua)

Microorganismos patógenos: Patógenos directos para el

hombre

Patógenos para animales Patógenos para animales

Microorganismos que dentro de animales pueden generar

patologías por acumulación de toxinas

Sólidos suspendidos: Partículas orgánicas e inorgánicas

arrastradas por el agua residual

•Compuestos nitrogenados.

•Amoniaco (toxico directo para la fauna, disminuye la efectividad del clorado por formación de cloraminas y aumenta la demanda de O₂)

•Nitratos (eutrificación ypueden causar enfermedades en infantes

infantes

•Metales y compuestos orgánicos tóxicos •Calor (contaminación térmica)

Control de la contaminación

Reducción de la generación de contaminantes

Recuperación de contaminantes de alto valor agregado de los efluentes

Tratamiento para la reducción del contaminanteTratamiento para la reducción del contaminante

End of pipe (diseño tradicional)End of pipe (diseño tradicional)

Las tecnologías se han ido modificando con el Las tecnologías se han ido modificando con el

tiempo tiempo

Reducción de costos (idea central)Reducción de costos (idea central)

Se realiza en tres fasesSe realiza en tres fases

F1: Revisión de todos los efluentesF1: Revisión de todos los efluentes

Flujo (m3/h) y carga ([ ])Flujo (m3/h) y carga ([ ])

F2 Revisión de datos de F1 para establecer los F2 Revisión de datos de F1 para establecer los

objetivos de reducción objetivos de reducción

Incrementar el reciclaje de H2O de refrigeraciónIncrementar el reciclaje de H2O de refrigeración

Incrementar el reciclaje de H2O de refrigeraciónIncrementar el reciclaje de H2O de refrigeración

Mejoramiento de los sistemas de enfriamientoMejoramiento de los sistemas de enfriamiento

Recuperación de productos químicosRecuperación de productos químicos

Eliminación de pérdidas de vaporEliminación de pérdidas de vapor

F3: Evaluación de los ahorros potenciales de inversión F3: Evaluación de los ahorros potenciales de inversión

y costes de una planta de tratamiento separada si se y costes de una planta de tratamiento separada si se reducen las corrientes estudiadas en 1 y 2

Tratamiento para su reducción

Tratamiento químico:

Especial para metales y venenos verdaderos

Tratamiento biológico:

Basado en el proceso en el que una población mixta Basado en el proceso en el que una población mixta

de microorganismos utiliza como nutrientes a las sustancias contaminantes.

Imita a los procesos naturales

Los contaminantes desaparecen por degradación y

asimilación a la biomasa y por adsorción a las biomasa.

Diferencias con un proceso microbiano industrial Viabilidad rango y selectividad de los µorg usados Concentración y naturaleza de los sustratos

Falta de asepsia

Variación en los flujos de sustratos Variación en los flujos de sustratos No da ganancias

Justificación del costo (relación de costo beneficio según el uso)

Que hacer con los contaminantes luego de su remoción

El proceso de tratamiento es en realidad un proceso de separación donde se separa el agua purificada de una corriente menor de contaminantes concentrados

En el caso de las aguas negras, deshacerse de los lodos concentrados representa la mitad del costo del tratamiento.

La industria es esencial para la economía moderna y sus desechos deben ser eliminados de algún modo

desechos deben ser eliminados de algún modo

El agua es un insumo primario en casi cualquier empresa como solvente, reactivo, medio de reacción , de

transporte y de transferencia de calor.

Dependiendo del uso que se le vaya a dar al agua, es la pureza que la misma debe tener.

Características de la aguas residuales

Características de la aguas residuales

Contaminantes: mezcla compleja de compuestos Contaminantes: mezcla compleja de compuestos

orgánicos e inorgánicos. No es práctico obtener un orgánicos e inorgánicos. No es práctico obtener un

análisis completo de la mayoría de las aguas residuales. análisis completo de la mayoría de las aguas residuales.

Se han desarrollado una serie de métodos empíricos Se han desarrollado una serie de métodos empíricos

para la evaluación de la concentración de contaminantes para la evaluación de la concentración de contaminantes que no requieren el conocimiento de la composición

que no requieren el conocimiento de la composición química específica de las muestras.

Los parámetros determinados se dividen en físicos y Los parámetros determinados se dividen en físicos y

químicos y los químicos se dividen a su vez en orgánicos químicos y los químicos se dividen a su vez en orgánicos e inorgánicos

FísicosFísicos

Sólidos totales: Sólidos totales: Residuo de evaporación a 103 Residuo de evaporación a 103 -- 105105°°C. C.

Sólidos suspendidos: sólidos sedimentables Material Sólidos suspendidos: sólidos sedimentables Material

particulado separable por centrifugación o filtración (mg/L particulado separable por centrifugación o filtración (mg/L o g/L)

o g/L)

Sólidos suspendidos volátilesSólidos suspendidos volátiles

Sólidos filtrables diámetro = 1 Sólidos filtrables diámetro = 1 µµmm

Sólidos coloidales: diámetro entre 10Sólidos coloidales: diámetro entre 10--33 y 1 y 1 µµmm

Sólidos coloidales: diámetro entre 10Sólidos coloidales: diámetro entre 10--33 y 1 y 1 µµmm

Sólidos disueltos: moléculas orgánicas e inorgánicas e Sólidos disueltos: moléculas orgánicas e inorgánicas e

iones que se encuentran presentes en disolución iones que se encuentran presentes en disolución verdadera en el agua. Totales menos suspendidos verdadera en el agua. Totales menos suspendidos

Según su volatilidad a 600Según su volatilidad a 600°°C:C:

Sólidos suspendidos volátiles: contenido orgánicoSólidos suspendidos volátiles: contenido orgánico

pHpH

Temperatura:Temperatura: es un parámetro muy importante por su es un parámetro muy importante por su

efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas y efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas y velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a usos útiles. Por otro lado, el oxígeno es menos soluble en usos útiles. Por otro lado, el oxígeno es menos soluble en el agua caliente que en la fría.

el agua caliente que en la fría.

ColorColor

El agua residual reciente suele ser gris; sin embargo, El agua residual reciente suele ser gris; sin embargo,

cuando los compuestos orgánicos son descompuestos por cuando los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias el oxígeno se reduce a cero, el color cambia las bacterias el oxígeno se reduce a cero, el color cambia cuando los compuestos orgánicos son descompuestos por cuando los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias el oxígeno se reduce a cero, el color cambia las bacterias el oxígeno se reduce a cero, el color cambia a negro.

a negro.

OlorOlor

Los olores son debidos a los gases producidos por la Los olores son debidos a los gases producidos por la

descomposición de la materia orgánica. El olor más descomposición de la materia orgánica. El olor más

característico del agua residual séptica (concentración de característico del agua residual séptica (concentración de oxígeno = 0) es el del sulfuro de hidrógeno producido por oxígeno = 0) es el del sulfuro de hidrógeno producido por los microorganismos anaeróbicos que reducen los sulfatos los microorganismos anaeróbicos que reducen los sulfatos s sulfuro.

Características químicas

Características químicas

Los métodos analíticos para contaminantes orgánicos se Los métodos analíticos para contaminantes orgánicos se

clasifican en dos grupos: clasifican en dos grupos:

Métodos de evaluación para la demanda de Métodos de evaluación para la demanda de

oxigeno. oxigeno.

La cantidad de OLa cantidad de O₂₂ necesaria para la eliminación biológica necesaria para la eliminación biológica

de un material nutriente es un factor clave para expresar de un material nutriente es un factor clave para expresar su fuerza contaminante

su fuerza contaminante

No hay un único modo de determinar dicho valor. No hay un único modo de determinar dicho valor.

No hay un único modo de determinar dicho valor.No hay un único modo de determinar dicho valor.

El mayor problema es que no se conoce la composición El mayor problema es que no se conoce la composición

exacta de los efluentes. exacta de los efluentes.

En el caso de aguas Industriales la composición es más En el caso de aguas Industriales la composición es más

conocida aunque siempre tiene un grado de conocida aunque siempre tiene un grado de incertidumbre

incertidumbre

Igualmente es conviene conocer la composición lo mejor Igualmente es conviene conocer la composición lo mejor

posible para no perder efluentes potencialmente valiosos posible para no perder efluentes potencialmente valiosos

Métodos para evaluación de parámetros de demanda de O₂

1- Demanda teórica de oxígeno (DTeO) 2- Demanda química de oxígeno (DQO) Método de oxidación al dicromato Método de oxidación al dicromato

Ensayo de oxidación al permanganato Ensayos de evaluación rápida

3- Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Método de dilución

Métodos manométricos 4- Demanda total de oxígeno.

Métodos para evaluación de parámetros de Métodos para evaluación de parámetros de

contenido de carbono contenido de carbono

11-- Carbono teórico total (COTe)Carbono teórico total (COTe)

11-- Carbono teórico total (COTe)Carbono teórico total (COTe)

22-- Carbono orgánico total (COT)Carbono orgánico total (COT)

Método de oxidación húmedaMétodo de oxidación húmeda

Aguas residuales industriales

Poseen características más variables

Altos valores de DBO y bajos de SS (generalmente) Aportan otros contaminantes además de compuestos

Tratamiento de efluentes

Tratamiento de efluentes

Pretratamiento

Pretratamiento

OBJETIVOS:OBJETIVOS:

Eliminación de materia gruesa y arenosa cuya presencia Eliminación de materia gruesa y arenosa cuya presencia

perturban el tratamiento posterior. perturban el tratamiento posterior.

-- Aliviadero de agua en excesoAliviadero de agua en exceso

-- Rejas para eliminación de cuerpos de tamaño Rejas para eliminación de cuerpos de tamaño

-- Rejas para eliminación de cuerpos de tamaño Rejas para eliminación de cuerpos de tamaño

excesivamente grueso excesivamente grueso

-- Tamizado para eliminación de partículas en suspensiónTamizado para eliminación de partículas en suspensión

-- Trituración de elementos retenidos en las rejasTrituración de elementos retenidos en las rejas

-- Desarenado para eliminación de arenas y sustancias Desarenado para eliminación de arenas y sustancias

densas densas

REJAS DE DESBASTEREJAS DE DESBASTE

Objetivo:Objetivo:

Retener y separar los cuerpos voluminosos flotantes y en Retener y separar los cuerpos voluminosos flotantes y en

suspensión que arrastra el agua residual. suspensión que arrastra el agua residual.

Son necesarias en cualquier Planta Depuradora.Son necesarias en cualquier Planta Depuradora.

TIPOS DE REJAS TIPOS DE REJAS

CLASIFICACION POR INCLINACIÓNCLASIFICACION POR INCLINACIÓN -- HorizontalesHorizontales -- HorizontalesHorizontales -- VerticalesVerticales -- InclinadasInclinadas

CLASIFICACION POR SEPARACIÓN ENTRE BARRASCLASIFICACION POR SEPARACIÓN ENTRE BARRAS

-- Finas: separación entre barras menor a 1,5 cmFinas: separación entre barras menor a 1,5 cm

-- Medianas: entre 1,5 y 5 cm (las de mayor utilización)Medianas: entre 1,5 y 5 cm (las de mayor utilización)

-- Gruesas: entre 5 y 15 cm (a veces colocada antes de la Gruesas: entre 5 y 15 cm (a veces colocada antes de la

mediana) mediana)

DESARENADORESDESARENADORES Objetivo:Objetivo:

Separar los elementos pesados en suspensión (arenas, Separar los elementos pesados en suspensión (arenas,

arcillas, etc.) que lleva el agua residual y perjudicaría el arcillas, etc.) que lleva el agua residual y perjudicaría el tratamiento posterior: sobrecarga de barros, depósito en tratamiento posterior: sobrecarga de barros, depósito en cañerías y canales, abrasión de impulsores de las bombas y cañerías y canales, abrasión de impulsores de las bombas y equipos.

equipos. equipos. equipos.

Se aplica los mismos principios que cualquier equipo de Se aplica los mismos principios que cualquier equipo de sedimentación, es decir aumentar la sección para que sedimentación, es decir aumentar la sección para que disminuya el área y permitir la separación de un tamaño disminuya el área y permitir la separación de un tamaño de partícula. de partícula. Características: Características: ( ( ρρarena: 2,65 gr/cm3 dp arena: 2,65 gr/cm3 dp ≥≥ 0,05 mm )0,05 mm ) ( ( ρρarena: 2,65 gr/cm3 dp arena: 2,65 gr/cm3 dp ≥≥ 0,05 mm )0,05 mm ) No es material biodegradable No es material biodegradable

Vs superiores a los sólidos orgánicos, si Vs superiores a los sólidos orgánicos, si degradables

degradables

En los tanques rectangulares de flujo horizontal se calcula En los tanques rectangulares de flujo horizontal se calcula una velocidad crítica, que no debe superarse:

Flotación

CLASIFICACIÓN - Flotación Natural - Flotación Inducida FLOTACIÓN NATURAL

Solo aplicable a sólidos o líquidos de densidades mucho menores que el agua, caso típico de desengrasado o menores que el agua, caso típico de desengrasado o desaceitado (aguas de refinerías)

Aplicable a diámetros mayores de 0,015 cm y Re < 0,5 FLOTACION INDUCIDA

Mecanismos

- Coagulación similar a sedimentación

- Incorporación de micro burbujas de aire en la

suspensión que se adhieren a las partículas y facilitan su flotación (menor ρ global, mayor velocidad de ascenso).

NEUTRALIZACIÓN

Aplicable a aguas residuales ácidas y alcalinas. CASO DE AGUAS RESIDUALES ACIDAS

Procedimientos de neutralización: Lechos de piedra caliza (CO₃Ca)

Cal u OCa (el método mas común por su bajo costo) Na OH

CO Na

CO₃ Na₂

Amoníaco (NH₄OH) (no se lo utiliza por ser

contaminante)

ELECCIÓN:

Función de costo, capacidad de neutralización, velocidad

de reacción, almacenamiento, productos de neutralización.

AGUAS RESIDUALES ALCALINAS

Los métodos de diseño son similares a los visto para

efluentes ácidos.

Los reactivos mas comunes son: SO₄H₂ (el más común)

ClH

Son reacciones esencialmente instantáneas. Son reacciones esencialmente instantáneas. Alternativa:

Gases residuales con más del 14% de CO₂ se pueden

burbujear en el agua residual, donde el CO₂ forma CO₃H₂ que reacciona con la base presente (reacción lenta pero efectiva). Se puede llevar a cabo con tubos perforados o en torres con aspersores.

Los barros activados liberan CO₂ luego tienen capacidad

HOMOGENEIZACION O ECUALIZACIONHOMOGENEIZACION O ECUALIZACION

Objetivos:Objetivos:

-- Mezcla de corrientes ácidas y básicas con el fin de Mezcla de corrientes ácidas y básicas con el fin de

obtener un afluente uniforme a ser neutralizado obtener un afluente uniforme a ser neutralizado

-- Conseguir un caudal relativamente constante que Conseguir un caudal relativamente constante que

llegue a los sistemas de tratamiento biológico. llegue a los sistemas de tratamiento biológico.

-- Atenuar las variaciones de la DBO presentes en las Atenuar las variaciones de la DBO presentes en las

distintas cargas. distintas cargas. distintas cargas. distintas cargas.

Tratamiento primario

Tratamiento primario

En esta etapa es donde ocurre la primera disminución de DBO

Tratamiento secundario

Tratamiento secundario

Las aguas residuales se ponen en contacto con una Las aguas residuales se ponen en contacto con una

población mixta de microorganismos en suspensión población mixta de microorganismos en suspensión floculenta

floculenta en un sistema agitado y aireado en un sistema agitado y aireado

La materia en suspensión y la coloidal se eliminan de las La materia en suspensión y la coloidal se eliminan de las

aguas residuales por adsorción y aglomeración en los aguas residuales por adsorción y aglomeración en los aguas residuales por adsorción y aglomeración en los aguas residuales por adsorción y aglomeración en los flóculos

flóculos microbianos.microbianos.

Esta materia y la soluble (DBO soluble) se eliminan mas Esta materia y la soluble (DBO soluble) se eliminan mas

lentamente por el metabolismo microbiano lentamente por el metabolismo microbiano (ESTABILIZACION)

Durante la estabilización el material orgánico es Durante la estabilización el material orgánico es

mineralizado y asimilado a nuevo material biológico. mineralizado y asimilado a nuevo material biológico. Parte de la biomasa se descompone debido al

Parte de la biomasa se descompone debido al metabolismo endógeno.

metabolismo endógeno.

Una vez que se alcanza el grado de tratamiento que se Una vez que se alcanza el grado de tratamiento que se

desea, el material biológico, EL LODO, se separa del desea, el material biológico, EL LODO, se separa del agua residual por asentamiento.

agua residual por asentamiento. agua residual por asentamiento. agua residual por asentamiento.

El sobrenadante de la decantación es el agua residual El sobrenadante de la decantación es el agua residual

tratada que debe haber sufrido una reducción marcada tratada que debe haber sufrido una reducción marcada de la DBO soluble.

de la DBO soluble.

La proporción de nutrientes que se elimina por adsorción La proporción de nutrientes que se elimina por adsorción

, asimilación y mineralización depende de las condiciones , asimilación y mineralización depende de las condiciones de operación y del agua a tratar.

de operación y del agua a tratar.

Una planta que favorezca el crecimiento, eliminará Una planta que favorezca el crecimiento, eliminará

nutrientes mas rápido convirtiéndoos en lodos pero a nutrientes mas rápido convirtiéndoos en lodos pero a costa de incrementar el costo de separación y

costa de incrementar el costo de separación y disposición de los lodos.

disposición de los lodos. disposición de los lodos. disposición de los lodos.

Las condiciones de operación que favorecen el Las condiciones de operación que favorecen el

metabolismo oxidativo generan menos lodos pero exigen metabolismo oxidativo generan menos lodos pero exigen mejor aireación.

Sistemas de película biológica

Se ponen en contacto el agua a tratar con una película

de lama (población microbiana mixta) adherida a un soporte

Se dividen en dos categorías: Se dividen en dos categorías:

Sistemas estacionarios o de medio fijo (los mas

antiguos)

El medio sólido está dispuesto como un lecho empacado a través del cual gotea el agua residual. Se desarrolla en la superficie del soporte una película de lama microbiana y el agua fluye entre ella y el aire.

El O2 pasa del aire al agua y de ahí a la lama junto con los nutrientes

nutrientes

El material en suspensión y coloidal del agua se aglomera y adsorbe a la lama.

Los soportes se diseñan para que presenten una gran área superficial de contacto con el líquido y el aire

Sistemas de medio en movimiento

Discos de entre 2 y 3 m de diámetro, de materiales

sintéticos (poliestireno o polietileno corrugado). De 10 a 20 mm de ancho y separados de sus vecinos por esa

distancia.

Gira entre 1 y 7 veces por minuto.

Se puede mover por medios mecánicos o por aire Se puede mover por medios mecánicos o por aire

Lecho fluidizado

La lama esta adherida a un sistema sólido que flota en un medio con movimiento vertical

Junta las ventajas del sistema líquido y el inmovilizado Junta las ventajas del sistema líquido y el inmovilizado No se bloquea como los percoladores por el exceso de lama ni se lava como un sistema de lodos.

Remoción de nitrógeno

Si las aguas tienen un exceso de N y P (aguas negras) solo pierden parte del N debido a la actividad

heterotrófica porque el rendimiento es muy alto. Se trata de utilizar un metabolismo no asimilativo Se trata de utilizar un metabolismo no asimilativo

Fuentes de contaminación con N

Los compuestos nitrogenados están entre los principales

contaminantes del agua y se encuentran en los efluentes de las industrias mas importantes como NH₃, NO₃H, NO₂H y compuestos orgánicos solubles y en suspensión.

Las fuentes mas importantes de residuos nitrogenados son los de la industria química que fabrican compuestos nitrogenados (explosivos, agroquímicos) y los residuos humanos, animales y de las plantas procesadoras de alimentos

La remoción biológica de N se lleva a cabo por dos

mecanismos sucesivos, la nitrificación y la desnitrificación Nitrificación

La oxidación de amoniaco se lleva a cabo en dos etapas por bacterias quimioautotróficas por un proceso llamado en conjunto Nitrificación

La primera etapa es la oxidación de amonio a nitrito (nitrosificación)

(nitrosificación)

Dentro de los µorg que llevan a cabo estas reacciones

estan: Nitrosomonas europea y monocella y Nitrosococcus. Tambien estan Nitrospira, Nitrosocystis y Nitrosoglea

+ _{+ →} − ₊ + _{+ −} 4 2 2 2 1 1 2 58 84 kcal 2 NH O NO H H O a

La segunda etapa es la oxidación de nitritos a nitratos

Los organismos que realizan estas reacciones son: Nitrobacter winogradskyi y Nitrocystis

− _{+ →} − 2 2 3 1 -15 a 20.9 kcal 2 NO O NO + _{+ →} − ₊ + _{+ −} 4 2 2 3 2 2 73 104 kcal NH O NO H H O a

Se ve con estas ecuaciones que hace falta una gran cantidad de O₂ para remover el N (4 kg O₂ por kg de NH₃).

Se genera acido durante la reacción por lo que el agua Se genera acido durante la reacción por lo que el agua residual tiende a acidificarse durante la nitrificación.

En un sistema no controlado, esto termina deteniendo la reacción por inhibición.

Desnitrificacion

Proceso por el cual el NO₃- se descompone a N₂, N₂O y NO₂. Se realiza en un metabolismo anoxico donde el NO₃- _{es el} aceptor final de electrones

Se produce por organismos heterotrofos Alcaligenes, Achromobacter, pseudomonas, Micrococcus. Se usa una población mixta que convierte a los NO₃- en distintos población mixta que convierte a los NO₃- en distintos compuestos de N

Pueden usar una amplia gama de compuestos carbonados (H de C, lipidos, alcanos, alcoholes) por lo que participan tambien en la remoción de DBO.

2 3 2 2