Características de las aguas residuales de la industria del Acero, Papelera y Azucarera. Alternativas de tratamiento sugeridas en la literatura para tratar estas aguas residuales. Definición y descripción de alternativas.

INDUSTRIAS DEL ACERO

El sector industrial conlleva la elaboración de productos de interés y como efecto la generación de residuos a partir de una materia prima y una secuencia de procesos que son realizados a diferentes condiciones y ambientes, muchas veces hostiles para el medio en el que se desarrolle, ya sea a cielo abierto (contaminación atmosférica), por disposición del recurso hídrico (captación y vertimiento de aguas residuales industriales), o por medio de la utilización del suelo, degradando la composición de éste, provocando daños como la erosión y deformación del ecosistema.

La investigación desarrollada en este informe tiene como objetivo conocer la caracterización de las aguas residuales o vertimientos de una industria de acero, además de conocer las alternativas propuestas por diferentes autores en pro del tratamiento de estas aguas, buscando el aprovechamiento de los recursos y de la eficiencia energética, a su vez también se dará una breve explicación de los antecedentes, procesos de fabricación y distribución en el mercado del acero a nivel nacional e internacional.

Se ha realizado una revisión bibliográfica sobre como las industrias dedicadas a la metalurgia, en especial las acerías afectan el recurso hídrico, desde la captación hasta los vertimientos causados en cada proceso para la fabricación del producto deseado, en este caso el acero.

INTRODUCCION DEL ACERO COMO PRODUCTO

El acero es un material muy duro y resistente obtenido a partir del mineral de hierro. Mediante una serie de procesos físicos y químicos hasta llegar a una aleación de hasta 3,5% de carbono y otros metales que de acuerdo a sus proporciones dan al acero sus propias características.

La importancia del acero en el mundo moderno radica en su gran resistencia y flexibilidad que permitió el desarrollo de estructuras cada vez más altas y resistentes; hecho que posibilito el crecimiento de las ciudades en forma vertical, solucionando varios problemas de espacio y distribución de las mismas. Por todo lo anterior el acero se ha ganado su lugar en la historia, como el precursor del mundo moderno.

ANTECEDENTES DE LA INDUSTRIA DEL ACERO

No se sabe con claridad la fecha en que surgió el acero, lo que se sabe es que hacia el año 1000 A.C los griegos ya conocían una técnica artesanal para el endurecimiento de armas de hierro, las cuales trataban a muy altas temperaturas para otorgarles una mayor firmeza. El acero se ganó su prestigio en lo que se conoce como la piel de acero, esta era el resultado de la combinación del carbono vegetal usado para calentar el hierro forjado, compuesto por la aleación de hierro y carbón comprendida entre 3.0% y 3.5%, de lo cual se obtenía las piezas de hierro forjado en carbón al rojo vivo; pues la superficie de hierro absorbía carbono al formar una capa de acero alrededor de la pieza, que era martilleada

con el fin de eliminar la escoria que se producida en este acto. Dicha capa otorgaba la dureza del material una de las propiedades más relevantes, por la cual es y sigue siendo utilizado en la fabricación de objetos que requieren gran resistencia. Más tarde hacia el año 200 A.C en la India se había desarrollado un método más eficiente y con el que se obtenía acero macizo, este procedimiento consistía en colocar el hierro con piel (hierro carbonado) en un recipiente de arcilla o crisol, donde gracias al calentamiento del material ferroso por varios días el carbono se distribuía más uniformemente por toda la pieza, consiguiendo mejores resultados tanto de dureza como de resistencia, clasificado como acero autentico [8]. A continuación se presentan algunos de los hechos más importantes que dieronlugar al mejoramiento y eficiencia en la producción de acero: En 1740 un relojero ingles Benjamín Huntsman encontró la forma de homogeneizar la mezcla de carbono con el hierro para obtener acero de alta calidad, su método consistía en colocar en un crisol el hierro con una determinada cantidad de carbono, donde después de un tiempo los reactivos se volvía tan líquidos logrando una mezcla homogénea, un mejor resultado en comparación al de las espadas samurái que se habían considerado como el arma de más alto grado de composición y textura [9].

PROCESOS DE PRODUCCION

El acero es una aleación de carbono (2%) y hierro (98%). Primero que todo el hierro es fundido con piedra caliza y coque, composición que posteriormente es moldeada como arrabio o mandada para la segunda etapa como hierro fundido, en esta etapa lo que se busca es disminuir en gran escala el alto grado de carbono al cual fueron sometidos los componentes de esta mezcla para la extracción de impurezas: el azufre y el fosforo. Dependiendo la calidad del producto requerido se añaden otros elementos a la combinación: Magnesio, Níquel, Cromo, Vanadio, entre otros; en forma de ferro-aleaciones que mejoran las características del acero como su dureza, resistencia, maleabilidad, etc.

Uno de los tipos de instalaciones dedicadas a la producción del acero fundido es:

Procesos en plantas integrales

Posee la siguiente metodología:

Hornos de coque: Donde obtiene del carbón compuestos como coque y gas. Altos Hornos: Transforma el material en hierro fundido. Acería: Transforma el hierro fundido o arrabio en acero. Moldeado: Produce grandes piezas de fundición de acero. Trenes de laminación desbastadores: Reduce el tamaño de los lingotes. Trenes de laminación de acabado: Moldean el acero en la fase caliente para la

obtención de estructuras y chapas. Trenes de laminación en frio: Perfeccionan la forma de las chapas y flejes.

Las materias primas utilizadas para la fabricación del acero son minerales de hierro, caliza y coque. Estos materiales son puestos en capas sucesivas y continuas en un alto horno, en donde el soplado del aire junto con la combustión del carbono y en presencia del

coque ayuda a la fundición del hierro, que posteriormente se convierte en hierro liquido con un gran porcentaje de carbono; finalmente este material es transformado en lingotes de arabio o llevado directamente en contenedores refractados a las acerías para eliminar las impurezas producidas por el Aluminio.

El acero se puede obtener de dos materias primas:

Mineral de hierro (proceso integral).

Las chatarras férreas.

Figura 1: Diagrama de bloques para la producción de acero a partir de mineral de hierro.

Para producir acero a partir del mineral de hierro (Fe2O3) se usa el horno alto en el cual se cargan capas alternadas de mineral de hierro carbón (coque) y fundentes, la fundición de estos materiales se realiza mediante quemadores de gas natural del alto horno además del calor producido por la reacción de reducción del hierro debido a la combinación del oxígeno (del óxido de hierro) con el carbono; de allí se consigue una mezcla de hierro fundido con altos niveles de carbono, para reducir esos niveles se insufla aire calentado a 1000 °C por unas toberas en la parte inferior del horno que son alimentadas por una batería de compresores. Esto hace que el oxígeno de aire reaccione con el carbono produciendo CO y CO2 que se eliminan en forma de gas enviándolo a un extractor de polvo. Además se produce una capa de impurezas llamada escoria que al ser menos densa que el arrabio se elimina por unos orificios en la parte superior del crisol enviándola a contenedores, el arrabio se extrae por unos orificios en la parte inferior del horno aproximadamente cada 3 horas; el arrabio aun contiene un alto contenido de carbono además de impurezas como fosforo, silicio, y azufre 9.

El convertidor LD es un horno que permite la obtención de acero por soplado de oxígeno, este proceso ocurre en 3 fases:

Llenado: se carga el horno con el arrabio con la chatarra de acero y el fundente que ayuda a formar la escoria (Cal).

Afino: esta fase se lleva a cabo al soplar oxígeno a 12 atm de presión con una lanza refrigerada por agua sobre la superficie de la colada; lo anterior origina la combustión del carbono y de ese modo se elimina como gas (CO principalmente), además se elimina silicio, azufre y fosforo que se oxidan y pasan a la escoria; esto es posible gracias a que estas reacciones ocurren muy rápido a estas temperaturas (1650 °C).

Vaciado: se elimina la escoria y se vierte el acero sobre moldes o se prosigue con la colada continua de igual manera como se describirá en el acero a partir de chatarra 10 11 .

PRODUCCIÓN DE ACERO A PARTIR DE CHATARRAS FERREAS

Figura 2: Diagrama de bloques para la producción de acero a partir de chatarra

Su gran importancia tanto por su aporte a la producción mundial aproximadamente en un 40% como también los beneficios que brinda:

Reducir el índice de contaminación ambiental por el reciclaje de chatarras Ahorro energético que representa el no tener que extraer el mineral de las minas y

transportarlo hasta la acería.

Para la producción de acero a partir de chatarra se somete la materia prima a unos controles para asegurarse de que no se afecte la calidad del acero producido.

La fuente principal de la chatarra son las deshuesadoras de autos y barcos, similar a como los comercializadores que se la compran a los recicladores.

La chatarra es transportada a la siderúrgica en camiones, luego son pesados en básculas y posteriormente se descargan en patios para finalmente clasificarla de acuerdo a los siguientes factores determinantes de su calidad:

o La facilidad para ser cargada en el horno.o De su comportamiento de fusión.o De su composición.

Para la clasificación de la materia prima con los anteriores factores. La chatarra se selecciona de los patios en primer lugar por su tamaño; así se decidirá si se envía al triturador para alimentar el horno o si se debe de reducir de tamaño, la reducción de tamaño se lleva a cabo con sopletes de gas y oxigeno (Oxicorte) o de acetileno e incluso con la lanza térmica que alcanza unos 3500 °C a 4300°C, aunque esta última es menos usada por que causa la fundición y el desperdicio de grandes cantidades de chatarra debido a que el material fundido se combina con impurezas del suelo. La reducción de tamaño busca la obtención de piezas de 40 cm x 40 cm con las cuales se puede cargar el horno. También se puede dar el caso contrario en el que se debe comprimir la chatarra como varillas y piezas pequeñas que al ser cargadas directamente reducirían la producción pues la carga seria menos densa, para ello se aumenta la densidad de la carga comprimiendo la chatarra suelta en prensas hidráulicas de donde se obtienen piezas de 40 cm por 40 cm mucho más densas con las cuales se carga el horno.

Dependiendo de su procedencia la chatarra se clasifica en:

Chatarra reciclada: Consiste en sobrantes originados en la misma acería debido a despuntes, y rechazos; esta es chatarra de muy buena calidad

Chatarra de transformación: Es la chatarra que se produce en las fábricas de transformación del acero (virutas, recortes de guillotinas y prensas).

Chatarra de recuperación: Es la mayor parte de la chatarra usada en la industria y es la proveniente de estructuras de edificios demolidos, deshuesadoras de barcos y autos así como de electrodomésticos y cualquier objeto que contenga materiales férreos.

Los controles a los que se somete la chatarra se dan en tres niveles:

Inspección en el lugar de la adquisición de la chatarra Para material importado se hace una inspección visual en el puerto donde llega la

chatarra. Control detallado en la fábrica, este se hace sin importar que el material sea

nacional o exportado a fin de reducir al máximo la presencia de materiales tóxicos, térreos, explosivos, radiactivos y cualquier material que represente un riesgo para el personal, además se eliminan los materiales no férreos como los plásticos y metales como el aluminio y cobre; esto último se realiza al hacer pasar la chatarra por separadores magnéticos de donde solo se obtienen materiales ferrosos y los demás materiales son enviados a otras industrias donde se convierten en materias primas. La obtención del acero consiste en la eliminación de las impurezas del arrabio o de la chatarra, esta eliminación se realiza hasta el punto en que la aleación coincida con los estándares del acero que se desea producir.

Las reacciones que posibilitan la eliminación de las impurezas se llevan a cabo a más de 1000°C (esto no es un problema pues el horno de arco eléctrico opera a1650°C) los elementos que se eliminan principalmente son:

Carbono: se quema con el oxígeno produciendo CO y CO2 que se eliminan en forma gaseosa y son capturados por extractores de humos donde son trotados por una serie de filtros de mangas para reducir la contaminación.

Reacciones 1a, 1b.

Manganeso: se oxida y pasa a la escoria con ayuda del silicio formando Silicatos.

Reacciones 2a, 2b.

Silicio: se oxida y pasa a la escoria combinado con óxidos formando Silicatos.

Reacciones 3a, 3b.

Fosforo: este elemento se oxida y pasa a la escoria pero debido a las altas temperaturas reacciona con el carbono y regresa a la colada, para fijarlo a la escoria. Se añade cal la cual reacciona produciendo fosfato de calcio.

Reacciones 4a, 4b, 4c.

Azufre: su eliminación sucede por la adición de cal produciéndose sulfuro de calcio, la presencia de Manganeso ayuda a eliminar el azufre.

Reacciones 5a, 5b, 5c.

La fabricación de acero mediante el horno de arco eléctrico se da por la fusión de la chatarra debido a la acción de unos poderosos electrodos de grafito (generalmente tres) los cuales transmiten una corriente de apropiadamente 12000 A; esto produce suficiente calor para fundir la chatarra alcanzando 1650 °C, la profundidad ideal a la que se sumerge los electrodos es 1,5 veces su diámetro. Las paredes de la solera del horno donde contiene la colada son de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor), el interior se forra con material refractario generalmente ladrillos, este recubrimiento se repara cada 15 días debido a su desgaste; ese desgaste hace que la capacidad del horno varié entre un mínimo (1200 Kg) cuando está recién reparado y un máximo cercano a la reparación ((1550kg; en “Acerías Torres”, vía Palmira (Cali, Valle del Cauca)).

El resto de partes del horno está formado por paneles que se refrigeran por agua, además tiene una bóveda (tapa) deslizable que permite cargar la chatarra y tiene tres orificios para permitir la entrada de los electrodos cuyo diámetro es de unos 700 mm cuando están nuevos; los electrodos se van desgastando de acuerdo a su uso por ello son controlados por poleas individuales que permiten regular sus profundidad en la colada a medida que se van desgastando. Los electrodos están conectados a un transformador controlado por un operario para definir las condiciones de voltaje y corriente. Además la bóveda tiene un orificio para la captación de humos que son depurados para reducir la contaminación. El horno posee una estructura oscilante que permite el vertido de la escoria y luego del acero.

La producción del acero se divide en dos fases:

- Fase de fusión- Fase de afino

En la fase de fusión se carga la chatarra en el horno junto con la cal, se cierra la bóveda y se introducen los electrodos como se describió anteriormente, luego se hace saltar el arco (circular la corriente) hasta fundir toda la chatarra, este proceso se debe repetir hasta alcanza la capacidad del horno.

La fase de afino se da en dos etapas: la primera en el mismo horno y la segunda en el horno cuchara, el primer afino consiste en analizar la composición de la colada con un espectrómetro y con base en ello se reduce la presencia de silicio, manganeso, azufre y fosforo. Además se añaden las ferro aleaciones que el aportan otras características al acero 12 .

El acero así obtenido se vierte en un cilindro recubierto de material refractario o horno cuchara donde se realizan los ajustes necesarios para obtener la calidad de acero que se necesite. Cabe resaltar que durante el proceso se toman varias muestras y se realizan análisis complejos con espectrómetros que permiten el monitoreo en tiempo real del afino y así se pueden realizar los ajustes necesarios en la composición del acero 13 .

Una vez se tiene el acero se procede a darle la forma que tendrá en estado sólido, para ello hay tres métodos:

Colada clásica. Colada sobre lingoteras.

Colada continua.

En la colada clásica se vierte el acero sobre moldes con la forma del producto que se desea obtener (partes de maquinaria pesada) donde se deja solidificar;

En la colada sobre lingoteras el acero se vierte sobre grandes moldes de formas prismáticas y secciones cuadradas obteniendo los lingotes. Estos debido a su gran tamaño tienden a solidificar rápidamente en el exterior y lentamente en el interior. Para evitar esto se introducen en el Horno de fosa donde se le da una temperatura uniforme de 1300 °C: donde se enfrían de manera uniforme. De lo contrario, podrían producirse grietas en el lingote que lo harían inservible. Este tipo de colada se da principalmente cuando hay mucha producción de acero y se requiere almacenarlo 14.

La colada continua cuenta con tubos de cobre de sección cuadrada con refrigeración interna hecha por agua. El acero se hace circular por los tubos formando una hebra que es enfriada por rociadores de agua con el fin de conservar su forma, los rociadores son controlados de acuerdo a la velocidad de la hebra. Luego de esta sección la hebra es enderezada por rodillos y cortada por sopletes de oxígeno y propano a la dimensión requerida y al final se le estampa un numero identificador así se produce una palanquilla de 150 mm x 1500 mm y 6,7 m de largo; esta es trasladada por mesas de empuje (se empuja las palanquillas con una grúa), mesas de rodillos hasta la sección de carga donde son cargados los camiones con una grúa magnética y el acero llega a su destino final 15 16 17.

CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA DEL ACERO

La naturaleza de los efluentes industriales de una metalúrgica, es muy heterogénea y tiene un carácter prioritariamente mineral.

Muchas de las sales inorgánicas elaboradas como subproducto o desechos, como las de níquel, plomo, mercurio, cobre y plata actúan como impedimento para que los organismos que residen en ese ecosistema puedan realizar la transferencia de oxigeno adecuadamente, además muchas de estas sales tienen un efecto toxico acumulativo produciendo trastornos neurológicos y pulmonares, como también enfermedades a partir del consumo de cromo y mercurio, como lo es el cáncer.

Según la literatura [Acerías Paz del Rio S.A. 2007] Laboratorios DAPHNIA LTDA realizo la caracterización fisicoquímica de las aguas residuales industriales de una acería, en este caso la mayor productora a nivel nacional, la empresa ACERIAS PAZ DEL RIO. S.A.

Como es posible apreciar en la tabla siguiente, la concentración de fenoles, compuestos tensoactivos, hierro, entre otros; presentes en los efluentes de origen industrial de la siderúrgica, no cumplen la norma, estando por encima de los valores máximos permitidos por el decreto 1594/84 del Ministerio del Medio Ambiente. A consecuencia de esto, está causando una amenaza directa e indirecta al ambiente y a la salubridad pública indirectamente, ya que estas aguas son de uso agrícola para riego de los cultivos de la

zona. Posteriormente sus cosechas se venden a los mercados de los municipios aledaños, incrementándose de esta manera los riesgos de enfermedades.

Tabla 1. Caracterización Fisicoquímico de las aguas residuales industriales de la empresa Acerías Paz del Río S.A. En promedio

Estos vertimientos de aguas residuales de la Acería producen cambios físicos del agua como lo es, la modificación de color, transparencia, olor, contaminación biológica, dureza, viscosidad, temperatura, entre otras. Como es el caso de contaminación térmica gracias a los sistemas de enfriamiento de la industria, tal causa, el aumento de la temperatura y por ende provoca un mayor consumo de oxigeno que afectara indudablemente la biodiversidad presente en el ecosistema. A su vez se incremente la velocidad en función del tiempo del metabolismo de los peces, y eso hace mucho más indispensable el oxígeno y la velocidad de respiración. Esto hace colapsar el sistema nervioso, respiratorio a nivel macro del organismo o a nivel micro, en los procesos celulares

El incremento de la temperatura también acelera el crecimiento de organismos patógenos, que pueden causar en el hombre enfermedades como; cólera, fiebre tifoidea, hepatitis infecciosa, gangrena, etc., dando a conclusión, que los riesgos sanitarios poseen mayor relevancia en épocas secas si se tiene contacto con agua donde proliferan estos organismos. (Tierney et al., 1997).

PROBLEMÁTICA, ALTERNATIVAS, REGLAMENTACION

ALTERNATIVAS

Las siderúrgicas con una alta producción de acero, de aproximadamente 150.000 toneladas de acero [diario semana] por año cuentan con más de 10 vertimientos de aguas residuales en cada sub proceso, por ejemplo la siderúrgica de acero Acerías Paz del Rio, cuenta con un total de 21 vertimientos al rio Chicamocha, en el municipio de Nobsa. La mayoría de estos efluentes no cuentan con los estándares de calidad de vertido a cauce público según la normativa vigente, como anteriormente esta reportado en el análisis fisicoquímico realizado en el año 2007 de la misma industria. Es por ello que se plantea la necesidad de reformar las instalaciones existentes, y desarrollar alternativas, como es una planta de tratamiento que pueda reducir tales índices tan elevados de carga contaminante.

http://www.semana.com/economia/articulo/crisis-paz-del-rio/359943-3

ALTERNATIVA 1

REACTORES BIOLOGICOS SECUENCIALES (SBR)

http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/2006/12/01/53336

Este tipo de reactores son discontinuos u operan como reactor tipo batch, donde el agua residual se mezcla con un lodo biológico en un medio aereado. La reacción, aeración y

clarificación ocurre en un mismo tanque, esto reduce los costos de operación. También tiene como ventaja es que el control de la operación es sencillo y los buenos resultados obtenidos en el tratamiento de compuestos refractarios a los sistemas biológicos convencionales.

Las aguas residuales de una planta industrial de acero produce altas cargas contaminantes de diferente índole, tanto orgánicos resistentes a la degradación por vía química y toxico para el desarrollo de la actividad de los microorganismos en tratamientos biológicos convencionales e inorgánicos. En el caso de los fenoles como anteriormente se expone en la tabla de caracterización fisicoquímica de la industria en cuestión; esta alternativa puede verse contemplada por el sistema de secuencia de reactores batch (SBR), ya que es un sistema de crecimiento suspendido en el que el agua residual se mezcla con un lodo biológico existente en un medio aereado. Es el único proceso biológico en el que se combina en un mismo tanque el proceso de reacción, aeración y clarificación. El sistema SBR consta de, al menos, cuatro procesos cíclicos: Llenado, reacción, decantación y vaciado, tanto de efluente como de lodos, tal y como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3: Etapas de un ciclo de operación de un reactor SBR.

Los tiempos de residencia y las cargas varían con cada uno de los reactores y están en función del tipo de agua residual. Generalmente un SBR trabaja con un tiempo de retención hidráulico de 1 a 10 días y un tiempo de retención celular de 10 a 15 días. La concentración de sólidos en suspensión del licor mezcla (SSLM) se suele mantener entre 1500 y 5000 mg/L. El control del proceso puede ser llevado acabo de forma automatizada.

Algunas de las ventajas y características de este tipo de proceso son:

Bajos rendimiento de espacio, debido a que se requiere un solo tanque para realizar todo el proceso

Menos costos que los sistemas convencionales de tratamiento biológicoMejor control del crecimiento de organismos filamentosos y de problemas de decantaciónElimina nutrientes. Los sistemas SBR pueden ser usados para un proceso completo de nitrificación-desnitrificacion, así como para la eliminación o reducción de fosfatos. Menor tiempo de control requerido.Capacidad para la adaptación de los microorganismos a efluentes con elevado contenido en sales.Versatilidad para trabajar con fluctuaciones de caudal y de concentración de materia orgánica.

Alternativa 2

STRIPPING Y ABSORCION (DQO 5.330 mg/L y NTK 9.150 mg/L)

El Stripping es un proceso por el cual el nitrógeno amoniacal pasa a través de una corriente de aire, en contracorriente. Este proceso ocurre simultáneamente con la absorción posterior de este amoniaco en una corriente de agua, con el fin de que no se emita a la atmosfera. Se obtiene agua amoniacal.

Este proceso se ve favorecido a unas condiciones de pH altas (alcalinidad) o la temperatura (superior a 60º Celsius). El proceso simultaneo, la absorción, es indispensable que el agua utilizada como solvente acarreador para la separación, tenga un pH bajo (pH acido).

De esta forma es posible obtener una sal amoniacal limpia, pudiendo así sustituir un fertilizante mineral, aparte de realizar el respectivo tratamiento al vertimiento.

Figura 4: Stripping y Absorción, para la producción de agua amoniacal y tratamiento de agua residual industrial con altos contenidos de nitrógeno amoniacal.

Ventajas

Recuperación del nitrógeno amoniacal de un vertimiento de aguas residuales.

Se contribuye un ahorro de energía y la reducción del consumo de fertilizantes minerales.

Desventajas

El sistema requiere tratamiento previo (digestión anaeróbica, aeróbica, separación solido-liquido)

Debe asegurarse que el producto final obtenido (sal de amonio, aguas amoniacales, etc.) tenga la calidad suficiente para que se pueda comercializar.

Alternativa 3

Tratamiento de Lodos – Tratamiento de Fangos (450 Ton/mes Lodos)

Figura 5: Tratamiento de Fangos

Espesado del fango: El fango procedente de decantadores es aun prácticamente líquido. Se emplea el esperado para aumentar el contenido en solidos del fango por eliminación de parte de la fracción liquida del mismo. Esto se suele aplicar a lodos primarios y el espesado por flotación a los fangos secundarios (biológicos), y el espesado por centrifugación se utiliza exclusivamente para fangos activos

Estabilización y acondicionamiento: La estabilización se lleva a cabo para reducir la presencia de patógenos y eliminar olores desagradables y reducir o eliminar el potencial de putrefacción del fango. Los métodos tienen como objeto disminuir la fracción de materia orgánica volátil, a esterilizar o desinfectar el fango o a hacerlo poco adecuado para la supervivencia de microrganismo descomponedores.

Deshidratación y disposición final: En la última deshidratación de lodos se usan las centrifugas, con remoción elevada de agua, por ende el volumen es reducido considerablemente para su transporte o compostaje, posteriormente se lleva a secado y subsecuentemente se trata las corrientes de aire evacuadas mediante lavado de gases o absorción con carbón activado. Una vez deshidratados los fangos pasan a un silo desde donde son enviado a su destino definitivo: Agricultura, construcción, incineración, entre otros.

http://www.ivicsa.es/project-detail-engineering-services.php?lan=es&zone=projects&subzone=2&subcat=30&idproject=150#

Alternativa 4

Al pasar de los tiempos y analizando cómo se desarrollan diferentes industrias a nivel nacional e internacional, se contempla el desarrollo y consolidación de estas empresas, aunque tal crecimiento también trae consigo problemas de diferente índole, en este caso se evaluara el impacto ambiental en las aguas residuales presente en una industria siderúrgica de acero.

La necesidad de desarrollar alternativas para colaborar en la descontaminación de cuerpos hídricos ha conllevado a la implementación de diferente proceso entre los que se cuenta el carbón activado y la biorremediacion.

Tabla 2: Ventajas y Desventajas, Carbon Activado - Microorganismos

Ventajas DesventajasCarbón Activado excelente alternativa por

sus extraordinarias características adsorbentes y su relativamente bajo costo de producción

capacidad de remoción en el tiempo disminuye debido a la saturación de sus poros

Biorremediacion es una valiosa herramienta que la naturaleza brinda para el mismo fin y que en la mayoría de plantas de tratamiento de aguas utilizan debido a su eficiencia

el control de las variables que necesiten para su metabolismo.

Según [], intenta implementar los dos sistemas anteriormente mencionados, carbón activado – microorganismos, evaluándolos individualmente y con su posible asociación. Donde se trabajó con carbón activado de origen mineral americano (CAG) y de origen brasileiro lignocelulosico (CAP), mientras que los microorganismos fueron extraídos de una planta de aguas residuales fenólicas de una siderúrgica.

Los microorganismos aislados de aguas residuales industriales fenólicos corresponden a una bacteria del género Klebsiella sp. y un hongo del género Penicillium sp. , los cuales están reportados como degradadores de fenol pero no están reportados como colonizadores de carbones activados.

Según el trabajo experimental realizado, se observó remociones entre 95 y 99 % en tres días.

Se observó que los microorganismos adheridos sobre la superficie de los carbones activados reducen la concentración de fenol en solución comparada con carbones y microorganismos por separado. Por otra parte se concluyó que los microorganismos son capaces de modificar la superficie de los carbones y esta modificación se debe posiblemente a los mecanismos de anclaje (exopolisacaridos) los cuales penetran hasta los mesoporos y microporos.

Los microorganismos asociados a los carbones activados son una buena alternativa para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con fenol, en este caso presentes en los vertimientos de una siderúrgica de acero, ya que posibilita la continua remoción de fenol en el tiempo, porque los microorganismos al utilizar el fenol como fuente de carbono a través de los carbonos activados en su proceso natural de absorción hace que en primera instancia se produzca una absorción y consecuentemente se realice una catálisis por medio de los microorganismos que el sistema presente una continua degradación de fenol sin que se sature el sistema.

La siguiente figura representa la interacción entre los microorganismos que aportan al sistema la capacidad de no dejar saturar la capacidad de adsorción del fenol y a cambio los microorganismos se ven beneficiados porque toman su fuente de carbón del proceso de adsorción del carbón activado.

Figura 6. Isotermas de Absorción en fenol para carbones activados asociados a microorganismos. Capacidad de absorción.

PROBLEMÁTICA Y REGLAMENTACION

Se identificaron algunas industrias del acero a nivel nacional, entre ellas la planta siderúrgica de acerías paz del río S.A, como metalúrgica con la producción más elevada en Colombia, está queda ubicada en la ciudad de Bogotá.

Como medidas propuestas para mitigar la contaminación del agua generada por el proceso de la metalúrgica y el elevado consumo en la parte de captación de agua, se ha planteado lo siguiente:

Realizar labores de monitorio y estudio sobre el levantamiento del relieve de superficies subacuáticas alrededor de la fuente de consumo de abastecimiento, para reconocer el comportamiento que tiene en cada momento y ver la cantidad de recurso hídrico necesario para no afectar la biodiversidad de algún lago, o rio[x].

Por parte de los vertimientos generados de la industria siderúrgica, es posible llevar a cabo el proceso en tres etapas, según la autoridad ambiental (que autoridad ambiental xxx)

Evaluación de los puntos de vertimientos, diseño de sistemas de control y plantas de tratamiento

Implementación de los sistemas. Puesta en marcha y verificación de cumplimiento de normas.

La implementación de estos procesos puede traer beneficios contundentes como es; No generar vertimientos de aguas residuales a los ríos o fuente receptora y reducción en el consumo de agua, donde se esté abasteciendo la industria

Con estas medidas antes mencionadas, se busca un manejo más integral del recurso hídrico, desde su afluente hasta el efluente del mismo, además de beneficiar las zonas urbanas y rurales según sea el caso cercano a las metalúrgicas, reduciendo significativamente las tasas contaminantes y promoviendo un ambiente más ventajoso al ambiente.

Las normas [y] actualmente consolidadas por la reglamentación colombiana sobre aguas y vertimientos que son aplicables a las plantas siderúrgicas son las siguientes:

Decreto 1541 de 1978. Reglamenta el tema de aguas superficiales, modos de adquirir el derecho a usarlas, necesidad del permiso de vertimientos.

Decreto 1594 de 1984. Reglamenta el uso de las aguas superficiales respecto a las aguas servidas o vertimientos.

Decreto 1111 de 1952: Reglamenta la captación del recurso hídrico, el cual debe ser regulado según dicho decreto.

Ley 373 de 1997. Obligación de elaborar y presentar el programa para el Ahorro y Uso Eficiente del agua.

El uso del agua implica la aprobación por parte del Estado de dicha actividad, el cual está reglamentada por el Código de Recursos Naturales el cual establece en el artículo 88: “Salvo disposiciones especiales, solo pueden hacer uso de las aguas en virtud de concesión” y en el Decreto 1541 de 1978, en este caso la producción de acero en una siderúrgica, ya que existen dos modalidades.

1. Permiso de captación cuando se trata de pozos profundos2. Concesión de aguas si se trata de la captación de una fuente superficial

La planta industrial siderúrgica debe cumplir a cabalidad el Decreto 1594 de 1987, todas las empresas que viertan sus residuos líquidos a una fuente hídrica, ya sea rio, laguna, entre otras; deben llevar a cabo el registro periódico de los vertimientos y obtener el correspondiente permiso de vertimientos, cumpliendo con los límites permisibles para aguas residuales a que obliga el mismo Decreto.

Para adentrarse un poco más en el propósito de las alternativas, el cual es reducir el consumo y la carga contaminante de los vertimientos generados por el proceso, es indispensable en algunos puntos que debe tener en cuenta la industria siderúrgica como es la producción más limpia, esta se entiende como “la aplicación continua de una estrategia ambiental preventiva e integrada, en los procesos productivos, los productos y los servicios, para reducir los riesgos relevantes a los humanos y al medio ambiente”.[yy]

Se busca introducir la dimensión ambiental en los sectores de producción, y reorientarlos a planes de gestión y uso de tecnología en pro del ambiente, que aumente a su vez la eficiencia energética y minimicen la tasa de materia prima y recursos involucrados, disminuyendo posteriormente la cantidad de residuos, emisiones y descargas. Estos planes de interiorizar un plan para la mejora de producción buscando a su vez replantear los procesos a un ambiente más favorable es posible desarrollarlo a su vez entre la colaboración de autoridades ambientales y las mismas empresas, en este caso la industria, basados en una actividad de concertación y coordinación de acciones conjuntas tales como el seguimiento, el monitoreo y el control, pero sin violar la norma ni los decretos, es decir buscar puntos en los cuales es favorable por algún tipo de proceso unitario minimizar el impacto ambiental.

Obtención y transporte de Agua. 

Por medio del Decreto 1111 de 1952 se estipula la concesión otorgada por el Gobierno Nacional, la cantidad de agua suministrada a la industria siderúrgica, pero algunos ítems son adicionados como los que sigue para prever un impacto ambiental mucho mayor, cómo:

- Estudios batimétricos de la cuenca.

- Registros por el sistema de triangulación de los niveles de la cuenca donde se esté obteniendo el recurso hídrico.

- Reforestación de predios erosionados en su cuenca.

(1) Obtención y transporte de Agua. 

La obtención del agua que suple todas las necesidades industriales de la empresa Acerías Paz del Río S.A. desde hace más de cincuenta años del Lago de Tota, se da por concesión otorgada del Gobierno Nacional mediante el Decreto 1111 de 1952.

A su vez si es posible el aprovechamiento del agua de proceso, para minimizar considerablemente la obtención del agua, buscando la ejecución de las siguientes actividades:

Plan de recirculación de aguas industriales Evaluación y análisis del costo de la tasa por utilización de aguas Evaluación y análisis del costo de la tasa retributiva por vertimientos Evaluación de las obras de conducción (Sistema hidráulico; plantas y bombeo)

Aplicando las actividades recomendadas anteriores es posible reducir desde un 60 % a 70 % el consumo de agua, es decir su flujo volumétrico o caudal.

Un ejemplo de la obtención de recurso hídrico de la industria siderúrgica “Acerìas Paz del Rìo S.A.” es vista en la siguiente gráfica, hasta el año 2006.

Figura 7: Consumos anuales de agua del Lago de Tota en el proceso productivo desde 1975 a 2006

En la actualidad se monitorea diariamente el nivel del Lago y se cuenta con registros históricos sobre su comportamiento.

El abastecimiento al sistema es por medio de tuberías hasta la planta siderúrgica, en donde posteriormente se le realizan procesos físicos, como es su filtración y conducción a diferentes sub plantas para el proceso de fabricación del acero.

Situación ambiental de las plantas siderúrgicas

Es posible determinar sin dudas alguna puntos críticos de acuerdo a los instrumentos de regulación jurídicas de los instrumentos de política ambiental.

En cuanto a las aplicaciones de los instrumentos económicos a las plantas se tienen las siguientes situaciones:

Incentivos: Opción facultativa del particular en el sentido que si no aplica, el particular del mismo o la empresa pierde la opción de obtener un beneficio.

Desincentivos: Cumplimiento con el pago de los desincentivos es obligatorio, y por ende no es posible abstraerse de dicha obligación.

En la siguiente grafica se toma como ejemplo la Acería Paz del Rio S.A., donde se observa la relación de pagos correspondientes a la tasa retributiva desde el año 2001 hasta el primer semestre del año 2008.

Figura 8: Comparativo pago Tasa Retributiva 2001-2008.

El proceso de producción de acero como anteriormente en el informe se ha estipulado posee en cada etapa del proceso implicaciones negativas para el ambiente. Resaltando como principal generadora de uso del recurso hídrico y vertimiento está el proceso de

laminación, ya que posee una alta utilización de volúmenes de agua tanto para el funcionamiento de las maquinas como para el proceso mismo de laminación, lo cual posteriormente generara elevados caudales de vertimientos, además de las fugas y desperdicios que son frecuentes en estos procesos.

La afectación principal consiste en la posible contaminación de las cuencas o ríos donde es llevado el flujo, por aguas residuales industriales y domésticas y la reducción del recurso hídrico del cual se esté abasteciendo la industria.

Por otra parte, las acciones de seguimiento y monitoreo identificadas para evitar los riesgos antes identificados, consisten en las siguientes:

Captación de agua:

Monitoreo de los flujos y presión de agua proveniente de la fuente de abastecimiento, mediante la toma de datos de los contadores digitales ubicados en la casa de Bombas.Monitoreo de los niveles de las piscinas de la Planta de Fuerza. Monitoreo de los niveles de la fuente de abastecimiento mediante la medición del nivel en la captación.

Los objetivos que se buscan consisten en el control de los consumos de agua potable e industrial, la búsqueda de alternativas para reducir los consumos de agua y el monitoreo y control de fugas de agua potable e industrial en la Planta Siderúrgica.

La ley 20 ha dispuesto hasta el momento cuatro modalidades para el adecuado manejo de los impactos ambientales:

o Prevención. Son las acciones encaminadas a evitar los impactos y efectos negativos que pueda generar un proyecto, obra o actividad sobre el medio ambiente.

o Mitigación. Son las acciones dirigidas a minimizar los impactos y efectos negativos de un proyecto, obra o actividad sobre el medio ambiente.

o Corrección. Son las acciones dirigidas a recuperar, restaurar o reparar las condiciones del medio ambiente afectado por el proyecto, obra o actividad.

o Compensación. Son las acciones dirigidas a resarcir y retribuir a las comunidades, las regiones, localidades y al entorno natural por los impactos o efectos negativos generados por un proyecto, obra o actividad, que no puedan ser evitados, corregidos, mitigados o sustituidos.

Figura 9: Ubicación de Instrumentos de Política Ambiental en la Planta Siderúrgica

Figura 10: Diagrama de flujo proceso de Laminación de Planos.

Figura 11: Diagrama de flujo proceso de Laminación de No Planos.

MERCADEO NIVEL NACIONAL

La producción nacional de acero es muy pequeña comparada incluso con países de la región como Venezuela, Brasil y Argentina. Sin embargo, este sector junto con el metal mecánico aportan cerca del 16% del producto interno bruto (PIB) de nuestro país y además contribuye a la generación de empleo y al desarrollo del sector de la construcción.

En la industria del acero Colombia cuenta con una siderurgia integral, siderurgias semis-integradas, empresas transformadoras, comercializadoras y ferreterías 26.

Se dice que una siderurgia es integrada cuando se encarga del proceso completo de la producción de acero a partir de mineral de hierro, y es semintegral cuando se produce el acero partiendo de materias primas como el hierro o el acero reciclado 27.En Colombia, solo “Acerías Paz del Rio” cuenta con una siderurgia integrada, entre las siderurgias semi integradas están: Diaco, Aceros Sogamoso, Acasa y Sidoc.Las empresas transforman el acero en láminas como: lámina galvanizada o ColeRolled. En esta fabricación están Acesco y Holasa como principales representantes.Las comercializadoras compran el acero a las siderurgias y empresas transformadoras nacionales, además importan un porcentaje de acero para satisfacer la demanda nacional. Entre las más importantes comercializadoras se encuentran organización G & J, Metaza, Ferrasa, Arme y La Campana.

Colombia en el año 2002, produjo 745,000 toneladas de acero, en ese año la producción disminuyo en 3,8% con respecto al año inmediatamente anterior, luego en el año 2003 se vio una recuperación importante de 10,7%.

La producción en Colombia se distribuye así:

Figura 12: Distribución de la producción de acero en Colombia en los años2001-2003, según el tipo de producto y la cantidad en miles de toneladas.

Comprendiendo como formas intermedias los tochos, planchones y palanquillas que conforman el 36% de la producción nacional; los productos planos las chapas y bobinas laminadas en caliente con solo un 7,4% de la producción; y finalmente los productos no planos el alambrón y las barras que constituyen la mayor parte de la producción, debido a la orientación de nuestro país hacia la construcción.

Esto es el reflejo de la poca producción de productos planos de Colombia, lo cual se evidencia con el alto consumo de acero importado para satisfacer la demanda nacional de estos productos, también se puede observar que la producción nacional de productos no planos (que son amplia mente utilizados en la construcción) casi alcanza a suplir las necesidades de la sociedad, siendo necesaria solo la importación de una pequeña fracción 28.

En Colombia en el año 2003, Diaco un grupo siderúrgico semi-integrado aparece como primer productor de acero, y Acerías paz del Rio aporta igualmente una granCuota a la producción nacional, esto debido en parte al mineral de hierro de Aceros Sogamoso, Acasa y Sidoc, que en conjunto aportan alrededor de 164,000 ton/ano.La producción por empresa se distribuye así:

Figura 13: Producción de acero en Colombia en el año 2003, relacionado con las empresas y las cantidades fabricadas.

De todo lo que se puede observar en las gráficas anteriores se concluye que la producción de acero es muy grande, hay mucha oferta del producto y su consumo no supera esta cantidad. Claro está que cuando no se logra un nivel o equilibrio entre la oferta y la demanda se estima la posibilidad de importar los productos para no ocasionar grandes pérdidas, tanto en la producción como en el aspecto financiero.

La siguiente grafica muestra la producción y consumo en la nación:

Figura 14: Producción y consumo del acero a nivel Nacional.

El incremento en la producción nacional se debe a la complementación de mejores prácticas de explotación del mineral de hierro y los procesos de colada.

Figura 15: Principales importaciones Colombianas entre los países y la cantidad en millones de toneladas 29.

De acuerdo al cuadro de exportaciones que se muestra a continuación vemos que la industria colombina del acero exporta una cantidad muy pequeña en relación con lo que importa, se muestra un intercambio de compra y venta con países como Venezuela y Ecuador, pero la balanza se inclina a favor de Venezuela debido a que la producción venezolana de acero se encuentra por encima de la nuestra 29.

Figura 16: Exportaciones colombianas del acero a distintos países.

Nota: Según el DANE la producción en Colombia durante el año 2007 de productos férricos fue de:

Chatarra de acero = 2071602 KgAcero en forma de Palanquilla = 212459 toneladasAlambre de acero = 144599658 KgPiezas fundidas de acero para maquinaria = 837 227 Kg 30.

MERCADEO NIVEL INTERNACIONAL

La producción mundial para el año 2007, está encabezada por China que produce el 36% de la producción mundial seguida por Japón, Estados unidos y Rusia pero con producciones mucho menores. La participación de Colombia en el mercado internacional es insignificante, es menor al 0,1% e incluso es menor a la de países como Venezuela argentina y chile que también son países en vía de desarrollo 31.En el 2009, la producción mundial disminuyo en un 22,7% en los primeros cuatro meses comparado con el periodo del año 2008, influenciado por los precios de petróleo y la energía además de la difícil inversión 32.

Tabla 3: Posicionamiento a manera descendente de los países productores de acero a nivel mundial 31.

En lo corrido del año 2010, la mayoría de los países (a nivel internacional) experimentaron un aumento en la producción del acero, lo cual se ve reflejado en la siguiente gráfica:

Figura 17: Producción del acero a nivel mundial en el año 2010, relacionando laCantidad en toneladas por millón 33.

A pesar de las crisis que ha venido enfrentando la industria del acero, en lo que va del año 2010, se miró una recuperación de la producción como lo es el aumento de 9,7% de la producción en China (se produjeron unas 54,3 millones de toneladas en febrero 2010), y en Japón también se dio un incremento de 5,7% (8,9 millones de toneladas) 33.

En los últimos tiempos China ha presentado un progresivo aumento de tecnología entre las que se destaca la industria de acero, generando grandes capitales de ingresos a esta nación y además consolidándose entre uno de los primeros países en producción de acero y siderúrgica [1].

China al ser una potencia económica sumamente relevante a nivel mundial, emplea a su vez esta capacidad que tiene para la producción de acero y semejantes para su exportación, intentando a su vez abarcar la demanda del propio estado y así consolidar esta industria una de las prepotentes internacionalmente [2].

China se ha impulsado principalmente por la producción de acero crudo, fabricándose esté principalmente en explosión y hornos básicos de oxígeno, lo que produce mineral de hierro y coque, que son las materias primas fundamentales.

Como producto principal se tiene el acero y el hierro al carbón con otros aditivos, para sus diferentes propósitos y objetivos, ya sea cumplir algún grado de maleabilidad o dureza del material. Para ello se disponen de una adecuada disposición de la materia prima a las condiciones de almacenamiento y de proceso optimizadas hasta el momento. Gracias a

esta disposición de recursos, de ingeniera de procesos más refinada, se ha consolidado y ha surgido un nivel de economía mucho más elevado por efecto de la producción masiva de estos metales y aleaciones no solo ayudando a la economía interna de China sino también ampliando su mercado al mundo; en la siguiente tabla se da una idea de cómo ha sido su evolución hasta julio de 2015 [3].

Tabla 4 Uso aparente del acero (2009 a 2015) (millones de toneladas, productos de acero

terminadas) [4].

Tabla 5 Uso aparente del acero per cápita (2009 a 2015) (kilogramos, productos de acero

terminadas) [5].

Como se observa en las anteriores tablas, es sencillo identificar un aumento lineal de la producción china tanto en millones de toneladas de productos del acero (Tabla No. 1), como los kilogramos finalizados del producto (Tabla No. 2)

En cuanto a los rendimientos de la industria de acero y siderúrgica en China se ve estrechamente influenciado por un marco globalizado, es decir, posee una relación contundente con naciones lideres tanto de este mercado como potencias económicas, y según la literatura [6], argumentan que el acero de gama alta estimula y favorece mucho más el mercado, es decir el producto metálico con más calidad, mientras los de gama media se mantienen en el mercado, aun así también informan que ha caído un poco las exportaciones gracias al aumento de la economía de manera rápida como lo es en Estados Unidos y se ha visto comprometido tal mercado del acero en cuanto a China, y gracias a ello se ha mantenido constante tal oferta-mercado[7].

En la siguiente grafica se expone como ha sido su incremento desde el año 1949, y como se observa es posible deducir un aumento progresivo hasta el 2009, y corroborando con las tablas 1 y 2, se infiere que ha seguido manteniendo este comportamiento llegando a 754.3 millones de toneladas de acero producidas hasta el año 2015

Figura 18: Producción de acero bruto chino anual desde 1949 [5].

El progreso tecnológico es relevante para aumentar la energía, la eficiencia de los procesos y mejorar como tal la fabricación del acero, buscando un desarrollo sostenible de acero y la preservación del ambiente. Este tipo de industria debe esforzarse mucho más para adquirir la conservación de energía y aplicarla justamente para la producción de metales.