Tratamiento Tratamiento de de efluentes efluentes en laen laindustria lindustria lácteaáctea

Problemas y soluciones

INGEBI

CONICET

Leonardo Erijman

INTI-Lacteos 2010

comprender los procesos

Identificar los problemasHacer diagnósticos

Evaluar alternativas

Tratamiento Tratamiento de de efluentes efluentes en laen laindustria lindustria lácteaáctea

Problemas y soluciones

CCómo funciona ómo funciona el el tratamientotratamiento??

Los Los tratamiento bioltratamiento biológicos ógicos se se basanbasanen la en la capacidad capacidad de de autodepuraciautodepuraciónón

Aumenta DBObaja conc OD

La cantidad de oxígeno disuelto requerida pormicroorganismos para estabilizar la materia orgánica

Demanda Bioquímica de OxígenoDemanda Bioquímica de Oxígeno(DBO)(DBO)

Ensayo estandarizado paramedir el grado de contaminación

Demanda Química de OxígenoDemanda Química de Oxígeno(DQO)(DQO)

La materia orgánica se degrada químicamenteutilizando un oxidante fuerte

Otro ensayo estandarizado paramedir el grado de contaminación

• Compuestos orgánicos que consumen oxígeno - degradan el cuerpo receptor - interfieren con el balance de la vida acuática

Que Que hay hay que eliminar que eliminar de de loslosefluentesefluentes??

la demanda de oxígenola demanda de oxígeno

El El problema estproblema está á en laen ladeficiencia deficiencia de de oxígenooxígeno

Lagunas facultativasLagunas facultativas

– El oxígenooxígeno es producido por algas fotosintéticas eintroducido por aireación de la superficie

– El oxígenooxígeno es subsecuentemente utilizado por bacteriasaeróbicas para estabilizar (oxidar) la materia orgánica

viento

oxígeno

algas

bacterias

oxígeno CO2, NH3, Pefluente crudo

Sólidossedimentables

anaeróbico

oxíg

eno

De donde viene el oxígeno?

Lagunas aireadasLagunas aireadas

El oxígeno se introduce con aireación mecánica

De donde viene el oxígeno?

Con una potencia de 1 kw/1000 m3, los gases (O2) y el materialsoluble (materia orgánica) se mezclan uniformemente

los sólidos sedimentan

Lagunas aireadasLagunas aireadasEl oxígeno se introduce con aireadores

Lagunas aerLagunas aeróbicasóbicasEl oxígeno se introduce con aireadores

Con una potencia de 6-10 kw/1000 m3 los sólidos(microorganismos) se mantienen en suspensión

Mezcla completa Mezcla completa ((aeraeróbicasóbicas))vsvs. . mezcla parcial mezcla parcial ((facultativasfacultativas))

6-10 kw/1000 m3

0.8 - 1 kw/1000 m3

La La materia orgánica materia orgánica la la oxidan lasoxidan lasbacteriasbacterias

Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l

Tiempo de aireación del efluente = tiempo de crecimiento de microrganismos

Tiempo de retención hidráulico (τ) = tiempo de retención celular (θ)

Barros activadosBarros activados: el : el mismomismoprincipioprincipio, , mmás compactoás compacto

Oxígeno Disuelto (OD) > 2 mg/l

1. Mantener los sólidos (bacterias) en suspensión

2. Separar los sólidos (bacterias) del efluente tratado

3. Recircular los sólidos

Proceso Proceso de de barros activadosbarros activados

Cámara de aireación Sedimentador Digestor

RASReturn Activated Sludge

WASWaste Activated Sludge

Tiempo de retención hidráulico (τ) << tiempo de retención celular (θ)

Barros activadosBarros activados::AireaciAireaciónón

Se oxida la materia orgánica

Barros activadosBarros activados::SedimentaciSedimentaciónón

Se separa el agua tratada del floc microbianoSe recircula el floc microbiano a la cámara aireada

MicrobiologMicrobiología ía de de los barroslos barrosactivadosactivados

sustratosnutrientes

bacterias

bacteriasdel floc

ciliados yprotozoos

Comunidades microbianas en el floc de barros activados

MicrobiologMicrobiología ía de de los barroslos barrosactivadosactivados

Sistemas Sistemas de de lecho fijolecho fijo

La La oxidacioxidación es ón es la la única única formaformade de eliminar eliminar la la materia orgánicamateria orgánica

del del efluenteefluente??

Tratamiento físico-químicoTratamiento anaeróbico

Polímeros(polisacáridos, lípidos, proteínas)

Monómeros(azúcares, ácidos grasos, aminoácidos)

hidrólisis por enzimasbacterianas

fermentaciónfermentación

acetato H2 + CO2

metanogénesis

CH4 + CO2 CH4

Sistemas anaerSistemas anaeróbicosóbicosCómo Cómo se reduce la DBO?se reduce la DBO?

Sistemas anaerSistemas anaeróbicosóbicosQuién Quién produce produce metanometano??

Lagunas anaerLagunas anaeróbicasóbicas

BarroSólidos

P y N orgánico

Cañeríade entrada Gases

dióxido de carbonometano

amoníaco

Cortezasólidos

Líquido crudoMateria orgánica

Alto DBO

Cañeríade salida

post-tratamiento

Líquido tratadomenor DBO

barro granular

burbujas de gas

efluente

biogas

Reactor Reactor anaeranaeróbico óbico (UASB)(UASB)

ingreso

manto de barro

separadorde 3 fases

Lecho de barro anaeróbico ascendente

UASB

Filtro anaeróbico (AF)

Contacto anaeróbico (AC)

Reactor anaeróbico con baffles (ABR)

ReactoresReactores anaeranaeróbicosóbicos

Lecho de barrogranularexpandido (EGSB)

Nada seNada se pierdepierde; ; todo todo sesetransformatransforma

Antoine Lavoisier (1743-1794)

reactoraeróbico

reactoranaeróbico

DQO (100%) DQO (100%)

efluente(5-10%)

efluente(10-30%)

Biogas (CH4)(70-90%)

CO2(40-50%)

barro(50-60%)

barro(5-15%)

Transformaciones Transformaciones en en loslostratamientostratamientos

Tratamiento Tratamiento de de efluentes efluentes en laen laindustria lindustria lácteaáctea

Problemas y soluciones

Lagunas facultativasLagunas facultativas

Lagunas facultativasLagunas facultativas

s

Nuevas células

Nuevas células DBO efluente

Lagunas facultativasLagunas facultativas

Variaciones de pH y CO2 durante el día25 kg BOD/ha•d

Lagunas facultativasLagunas facultativas

• Temperatura (algas marrones a T< 10 °C)

• Carga orgánica

• Niveles de oxígeno disuelto

• Disponibilidad de nutrientes

• Presión depredadora (Cianobacterias)

Lagunas facultativasLagunas facultativasBacterias

reductoras desulfato (SRB)

ácidosulfídrico

`sulfato

ácidos grasos volátiles

`dióxido de carbono

`hidrógenobacterias

fermentadoras

Bacteriasfototróficas desulfuro (PSB)Efluente de

industria láctea ciclo del S en lazona anóxica

Lagunas facultativasLagunas facultativas

Sobrecarga I: bacterias desulfuro verdes (GSB)

Sobrecarga II: bacterias de sulfuropúrpura (fotosíntesis anoxigénica)

Lagunas facultativasLagunas facultativas

Lagunas facultativasLagunas facultativas2 grupos de bacterias fotosintéticas

Bacteria de sulfuro púrpuraChromatiaceae

Bacteria de sulfuro verdeChlorobiaceae

granos de sulfurointracelular

granos de sulfuroextracelular

Espumas Espumas en en lagunas facultativaslagunas facultativas::pond scumpond scum

Algas filamentosasSpirogyra, Mougeotia, Zygnema

CianobacteriasAlgas azul-verdes

Hierbas flotantes Hierbas flotantes en en lagunaslagunasfacultativasfacultativas: : LemnaLemna

Hierbas flotantes Hierbas flotantes en en lagunaslagunasfacultativasfacultativas: : LemnaLemna

Ciudad de Devis Lake, North Dakota, EEUU

Mantenimiento Mantenimiento de de lagunaslagunasfacultativasfacultativas

Mínimo, pero imprescindible

• Eliminación de sólidos de tratamiento preliminar (rejas, etc)• Corte de pasto en taludes• Eliminación de espumas y macrofitas de las superficie. Esto sehace para maximizar la luz incidente, aumentar la reaireación yprevenir cría de mosquitos• Si hay cría de mosquitos sobre la espuma de lagunasanaeróbicas se debe romper y hundir con hidrolavadora• Mantener la entrada y salida de las lagunas libres de bloqueo• Reparar taludes dañados

Mantenimiento Mantenimiento de de lagunaslagunasfacultativasfacultativas

Lagunas facultativasLagunas facultativas

2008

p. 444:

Tiempo Tiempo de de retenciretención hidráulicoón hidráulico

El tiempo de retención hidráulico (teórico) es ! =V

QV = volumen de la laguna (m3)Q= caudal promedio (m3/d)

Las lagunas no operan nunca a su τ teórico• El caudal no es constante• El barro acumulado disminuye el volumen de tratamiento (V)

La eficiencia de las lagunas no es óptima

• Zonas muertas• Corto circuitos

Corto-circuitos Corto-circuitos en en lagunaslagunas

Salida

Entrada

Peña Varón, M., Mara, D. (2004) IRC International Water and Sanitation Centre

Corto-circuitos Corto-circuitos en en lagunaslagunas

Salida

EntradaPeña Varón, M., Mara, D. (2004) IRC International Water and Sanitation Centre

Corto-circuitos Corto-circuitos en en lagunaslagunas

Banda CG, Sleigh PA, Mara DD. Water Sci Technol. 2005; 51 (12): 75-81

Recuento de coliformes

Corto-circuitos en lagunas disminuyen la eficiacia del tratamiento

Optimas condiciones hidrOptimas condiciones hidráulicasáulicasen en lagunaslagunas

El líquido ingresante debe sermezclado para evitarsobrecarga localizada, pero sedebe evitar la creación de corto-circuitos

Salida lejos del paso del flujode líquido (esquina)

Lagunas Lagunas en en serie serie o en o en paraleloparalelo??

Entrada Salida

Entrada Salida

Velocidad de tratamiento= k![concentración de contaminante]

Flujo pistFlujo pistón vs mezcla completaón vs mezcla completa

Flujo pistFlujo pistón vs mezcla completaón vs mezcla completa

Velocidad de tratamiento= k![concentración de contaminante]

[Cfp] > [Cmc]

[Vfp] > [Vmc]

Lagunas Lagunas en en serie serie o o paraleloparalelo??• Varias lagunas en serie son más eficientesque una gran laguna• Lagunas largas y angostas o con bafles paracrear sistema con relación largo/ancho grande• Disipar la turbulencia de entrada para reducirla mezcla

Lagunas Lagunas en en serieserie• Mayor costo• Atención a la sobrecarga orgánica!!!

SoluciSolución ón a la a la deficiencia deficiencia dedeoxoxígenoígeno: : cuanto oxígenocuanto oxígeno??

1.5 kg O2 / kg DBO

60 m3 * 2000 mg/L = 120 kg DBO/d

7 kg O2/h (5,5 kw o 7,4 HP)

Proceso Proceso de de barros activadosbarros activados

Cámara de aireación Sedimentador Digestor

RASReturn Activated Sludge

WASWaste Activated Sludge

Tiempo de retención hidráulico (τ) << tiempo de retención celular (θ)

ProsPros y y contrascontras de de los barroslos barrosactivadosactivados

• Muy buena calidad de vertido• Compacto• Confiable• Versátil

• Alto consumo de energía• Requiere más O&M • Generación de barro

Altamente dependiente del proyecto(diseño y ejecución)

ConversiConversión ón de de lagunas lagunas enenbarros activadosbarros activados

Problemas mProblemas más ás frecuentes frecuentes enenel el disediseño ño de de barros activadosbarros activados

1. Deficiencia de oxígeno

2. Problemas en el sedimentador

3. Problemas por manejo de barro excedente

Problemas provocados por Problemas provocados por lalafalta falta de de oxoxígenoígeno

Deficiencia de oxígeno

• Malos olores• Mala depuración• Bacterias filamentosas

(pérdida de sólidos)

Problemas provocados por Problemas provocados por lalafalta falta de de oxoxígenoígeno

Qué puede fallar ?

• Fallas en la recirculación• Flotación de barro• Fuga de sólidos

Problemas provocados por Problemas provocados por ununmal mal sedimentadorsedimentador

Problemas Problemas en el en el disediseño ño deldelsedimentadorsedimentador

Problemas Problemas en el en el disediseño ño deldelsedimentadorsedimentador

Reactor en batch (SBR)Reactor en batch (SBR)

1. llenado

2a. reacción

2b. reacción

3. sedimentación

4. decantación

Sequencing batch reactor (SBR)Sequencing batch reactor (SBR)

Problemas Problemas en el en el manejo manejo dedebarro excedentebarro excedente

100 kg DBO 20-50 kg barro

Problemas Problemas en el en el manejo manejo dedebarro excedentebarro excedente

Problemas Problemas en el en el manejo manejo dedebarro excedentebarro excedente

La disposición de barro es parte del tratamiento!!

Las Las necesidades necesidades de de aireaciaireaciónóndeterminan determinan el el tipo tipo de de tratamientotratamiento

Hay un alto gasto de energía para eltratamiento aeróbico

El El problema problema del del suerosuero

DQO suero: 70.000 mg/LDBO suero: 40.000 mg/L

cf. DBO efluente: < 3.000 mg/L

60 m3 * 2000 mg/L = 120 kg DBO/d

7 kg O2/h (5,5 kw o 7,4 HP)

3000 L suero (DBO=40.000 ppm)3 m3 * 40 kg/m3 =120 kg DBO

Duplica la cargaPor lo tanto duplica lasnecesidades de oxígeno!

El El problema problema del del suerosuero

El El problema problema del del suerosuero

Las Las necesidades necesidades de de aireaciaireaciónóndeterminan determinan el el tipo tipo de de tratamientotratamiento

efluente

DQO >>4000 ppm

Tratamientoconvencional

pre-tratamientoanaeróbico

NO

SI

Tratamiento anaerTratamiento anaeróbicoóbico

Lagunas anaerLagunas anaeróbicasóbicas

Lagunas anaeróbicasLagunas anaeróbicas. . InfluenciaInfluenciadel pHdel pH

Lagunas anaeróbicasLagunas anaeróbicas. . InfluenciaInfluenciade la de la temperaturatemperatura

Efic

ienc

ia (%

) de

redu

cció

n de

DQ

O

mes

Lagunas facultativasLagunas facultativas

El El problema problema de lade la grasagrasa

Representa un alto porcentaje de la carga orgánica

Las Las necesidades necesidades de de aireaciaireaciónóndeterminan determinan el el tipo tipo de de tratamientotratamiento

efluente

DQO >>4000 ppm

tratamientoconvencional

pre-tratamientoanaeróbico

NO

SI

SSEE >>100 ppm

NO

Desengrasado

SI

Lagunas desengrasadorasLagunas desengrasadoras

Sistema de flotación porSistema de flotación porpresurización del reciclo (DAF)presurización del reciclo (DAF)

Sistema de flotación porSistema de flotación porpresurización del reciclo (DAF)presurización del reciclo (DAF)

mezclaadsorción

flotación

Diagrama de flujo

bomba

barredor reductorpuente

deflector efluentematerial flotadotanque deflotación

barrosedimentado

líquido crudo succión

recircul

efluente coagulado

tolvagrasas

barredorcampana

Mezcla rápida/floculador

tanque depresurización

recirculacion

Sistema de flotación porSistema de flotación porpresurización del reciclo (DAF)presurización del reciclo (DAF)

Sistema de flotación porSistema de flotación porpresurización del reciclo (DAF)presurización del reciclo (DAF)

• Uso de coagulantes

El propósito de la adición de coagulante es romper laemulsión agua-aceite y desestabilizar las suspensionescoloidales

• Sulfato de aluminio• Policloruro de Aluminio (PAC)• Cloruro férrico• Polímeros catiónicos

El El pre-tratamiento pre-tratamiento ququímicoímicoaumenta la eficienciaaumenta la eficiencia

Coagulación-floculaciónCoagulación-floculación

Tareas de mantenimientoTareas de mantenimiento

• Productos químicos

• Compresor

• Tanque saturación

• Reductor de barredor

• Goma de barredor

• Disposición de grasas

EliminaciEliminación ón de de grasagrasa

La disposición de las grasas es parte del tratamiento!!

EcualizaciEcualizaciónón

Tangente superior

caudal promedio

volumen acumulado

Tangente inferior

vacío

lleno

Ecualización req.Vol: 1700 m3

EcualizaciEcualizaciónón

Llegada crudo

Llegada crudo

El El problema problema del del ffósforoósforo

EliminaciEliminación ón de de ffósforoósforo

Cloruro férricoCloruro ferroso

Sulfato ferrosoSulfato férricoSulfato de aluminio

Sal metálica Dosis (mg/L) Relación metal:P (kg/kg)

EliminaciEliminación ón de de ffósforoósforo

Diseño Diseño de de sistemas sistemas de de tratamientotratamientoCaracterización efluentes

(carga/caudal)Relevamiento del área,

características del terreno

Proximidad de poblacionesTransporte de barro

Consumo de productosquímicos

Costos de capitalCostos de O&M

Necesidades de personalTemas de H&S

Objetivos de tratamientoPrevisión deampliaciones

Factores de seguridad

Determinación cinética yparámetros de proceso)

Selección de tratamientoy configuración

Requerimientos deoxígeno

Requerimiento denutrientes

Dimensionamiento(volumenes, tiempode residencia, etc)

Estimación de producción debarro/grasa

Requerimientos de disposición