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Tratamientos terciariosTratamientos terciarios

Prof. Dr. D. A. Aznar JimProf. Dr. D. A. Aznar JimééneznezDpto. C. e I. de Materiales e I. QuDpto. C. e I. de Materiales e I. Quíímicamica

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDUNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

Las tecnologías ecológicas y de bajo coste, desarrollado por el Dr. D. Antonio Aznar, profesor de Ingeniería Química del Dpto. de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad Carlos III de Madrid.

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TRATAMIENTO TERCIARIO•NATURALEZA

•Procesos físicos.

•Procesos químicos.

•Procesos biológicos.

•OBJETIVOS•Eliminación de sustancias específicas

•CORRIENTES QUE SEPARA•Efluente acuoso tratado

•Lodos

•Sustancias reutilizables

•Gases

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO Y FÓSFORO

•MACRONUTRIENTEShC, H, O

•MESONUTRIENTES

hN, P, S, Ca, Mg, Na, K, Si

•MICRONUTRIENTES

hFe, Cu, Mo, Mn, Zn

[Nutriente] ↓ inhibición del crecimiento

•MACRONUTRIENTES

Pueden tomarlos del medio (CO2, H2O)

•MESONUTRIENTES

Mejor opción. N (3-10%), P (0,5-1%)

•MICRONUTRIENTES

Cantidades ínfimas, costosísima su eliminación total

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO Y FÓSFORO

Nitrógeno total (Nt)

Nitrógeno total Kjeldahl (NTK)

Nitrógeno amoniacal (10-50 mg/L)

Nitrógeno orgánico(5-35 mg/L)

Nitrógeno oxidado (1% Nt)

Nitritos

Nitratos

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (I)

•MÉTODOS FISICO-QUÍMICOS.•Cloración hasta el punto de ruptura

Cl2 + H2O → HCl + HOClNH3 + HOCl → NH2Cl + H2ONH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O

108N

Cl

3NH

2 −=

3,14Nmg

CaCOmg

3NH

3 =

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (II)•MÉTODOS FISICO-QUÍMICOS.

Arrastre por aire

Proceso de desorción

Sistema en contracorriente

pH ≈ 10 NH3 + H2O NH4+ + OH-

Qaire = 2,5 m3/L

Rendimiento ≈ 90%

NH4+ + OH- → NH3 + H2O

Ca(CO3)2 + Δ → CaO + CO2

CaO + H2O → Ca(OH)2

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (III)

•MÉTODOS FISICO-QUÍMICOS.•Intercambio iónico

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•MÉTODOS BIOLÓGICOS.

ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (IV)

−−++ ⎯⎯⎯ →⎯+++⎯⎯⎯ →⎯+ 3rNitrobacte

222Nitrosomas

24 NOOHO21NOH2O2NH

NO3- + 1,08 CH3OH + H+ 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 + 0,76 CO2 + 2,44 H2O

•Condiciones anóxicas (anaerobias)•Aporte de materia orgánica DBO5

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•MÉTODOS BIOLÓGICOS.

ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (V)

NITRIFICACIÓN DESNITRIFICACIÓN

Fuente de carbono para síntesiscelular Inorgánico Orgánico

Fuente de energía para síntesiscelular Oxidación N(NH4)

Oxidación materiaorgánica

Fuente de oxígeno para lasreacciones de oxidación O2 libre NO3

-

Medio Aerobio Anaerobio

Microorganismos Autótrofos aerobios Heterótrofos facultativos

Disminución de la DBO5 Asociada al NH4+ oxidado Asociada a la materia

orgánica oxidada

Variación de la alcalinidad del medio Consumo de alcalinidad7 g HCO3

-/g NH4+

Producción alcalinidad4,5 g HCO3

-/ g NO3-

Producción de biomasa 0,16 g SSv / g NH4+ ———

Consumo de oxígeno libre 4,2 g O2 / g NH4+ ———

Retorno de oxígeno ——— 2,85 g O2 / g NO3-

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (VI)

Predesnitrificación

Postdesnitrificación

11

ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (VII)

Procesos de alimentación escalonada

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ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (VIII)Procesos de canales de oxidación

Canal de oxidación

Orbal

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ELIMINACIÓN DE FÓSFORO (I)•MÉTODOS FÍSICOS: ultrafiltración, osmosis inversa

•MÉTODOS QUÍMICOS: precipitación.Alternativas para la adición de los reactivos

* Precipitación en el clarificador primario* Precipitación simultánea*Precipitación separada

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ELIMINACIÓN DE FÓSFORO (II)•MÉTODOS BIOLÓGICOS.

15

ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO Y FÓSFORO•MÉTODOS BIOLÓGICOS.

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PRINCIPALES MÉTODOS BIOLÓGICOS DE ELIMINACIÓN DE FÓSFORO Y NITRÓGENOMétodo Elimina Se aplica Secuencia Tiempo de Observaciones

N (%) P(%) a la línea retención (h)A/O 25 90 Principal anaerobia-

aerobia2-4 Fango rico en fósforo, uso

como fertilizantePhoStrip 25 95 Auxiliar aeróbia-

anaerobia-precipitación

4-6 Uso de precipitantes menorque en preprecipitaciónconvencional

Reactor de flujodiscontínuosecuencial

variable variable _____ anaerobia-aerobia-anóxica

3-24 Proceso muy versátil,indicado para caudalespequeños

A2/O 75 90 Principal 5-8 Modificación del proceso A/OBardenpho 80 70 Principal anaerobia-

anóxica-aerobia-anóxica-aerobia

15-20 Recirculación desde la 1era

etapa aerobia a la anóxica.Baja producción de fangosricos en fósforo.

Orbal 90 30 Principal anóxico-aerobio(cíclico)

14-24 Canales circulares concéntricos. Alta mineralización

ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO Y FÓSFORO•MÉTODOS BIOLÓGICOS.

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MEMBRANAS (I)MEMBRANAFASE 1 FASE 2

Dirección de flujo de la alimentación

Técnica Fuerza motriz

Tipo de barrera

∅ partícula (μm)

Presión de trabajo (atm)

Elimina

Filtración Presión Inerte > 10 1-2 Sólidos en suspensión

Microfiltración Presión Inerte 0,1-10 1-4 Sólidos en suspensión, bacterias, látex, etc.

Ultrafiltración Presión Inerte 0,01-0,1 5-10 Virus, proteinas, aceites, coloides, etc.

Nanofiltración Presión Inerte 10-3-10-2 20-40 Colorantes, antibió_ ticos, lactosa, etc.

Osmosis inversa Presión Inerte o activa 10-4-10-3 30-60 Sales orgánicas e inorgánicas

Pervaporación Presión Inerte o activa 10-5-10-3 0-1 Separación de disolventes

Electrodiálisis Potencial eléctrico

Activa 10-3-10-2 --- Desadificación, desalación, etc.

RETENIDO PERMEADO

Separación de gases

Inerte < 10-4 0-1 Separación de gasesPresión o concentración

Diálisis concentración Inerte o activa 10-3-10-2 --- Macromoléculas, sales, etc.

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ÓSMOSIS INVERSA: recuperación de disoluciones diluidas

[ ]1 < [ ]2

π

π = 1,12 · T · Σ m

P P > 1,4 + π (Mpa)Agua salobre: 4,2-5,6 MPaAgua de mar: 7,0-8,4 MPa

[ ]

π

MEMBRANAS (II)

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ÓSMOSIS INVERSA

MEMBRANAS (III)

Acetato decelulosa Poliamida TFC Polisulfona

pH 4-7 4-11 2-12 2-12

Tolerancia al cloro Tolerancia 0,1 ppm pobre pobre

Resistencia a bacterias Ninguna Buena Buena Buena

Límite de temperatura (ºC) 35 38 50-80 70

Rechazo (%) 90-80 95-95 97-99,5 90-98

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ENTRADA DEL CONCENTRADO

C C C

C: compartimento concentrado

ELECTRODIALISIS (ED):

SALIDA DEL CONCENTRADO

SALIDA DEL DILUIDO

ÁNODO CÁTODO

ENTRADA ANOLITO

SALIDA ANOLITO

ENTRADA CATOLITO

SALIDA CATOLITO

Λo

[ ]

K K K K

K: membrana catiónica

Recuperación de disoluciones concentradas

MEMBRANAS (IV)

ENTRADA DEL DILUIDO

D D D D

D: compartimento diluido

M+ M+ M+ M+

X- X- X- X-

X- X- X-

M+ M+ M+

A A A A

A: membrana aniónica

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ELETRO-ELECTRODIALISIS (EED):

Síntesis de disoluciones concentradas

MEMBRANAS (V)

Celda de EED de 3 compartimentos con membranas bipolares (MB).

ÁNODOCÁTODO

MB

H2O

OH-

H+

…………

200 μm

ΔE = 1,6-2,5 V i = 1000 A·m-2

KS S

Disolución acuosa salina M+A-

A

K: membrana cationica monopolar.A: membrana aniónica monopolar. S: compartimento salino.

CB CA

HA

M+

A-

MOH

CA: compartimento ácido. CB: compartimento básico.

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TECNOLOGÍAS DE OXIDACIÓN (I)CONVENCIONALES

Tª y p moderadasH2O2, Cl2, O3, NaClO, KMnO4, H2O2/Fe2+, …DQO > 5000 mg/LVariables críticas pH y TªDifícil de destruir hidrocarburos y compuestos halogenados

AVANZADASOxidación húmeda: Tª y p altasOxidación con agua supercrítica (T>374 ºC, p>220 atm)Oxidante + UV ElectroquímicaDetoxificación solar

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REACTOR COMPRESOR AIRE ó O2

BOMBA ALTA PRESIÓN

RESIDUO A TRATAR INTERCAMBIADOR

SEPARADORN2, CO2, VAPOR

LÍQUIDO OXIDADO A POST-TRATAMIENTO

TECNOLOGÍAS DE OXIDACIÓN (II)Oxidación húmeda

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Oxidación húmedaEFICACIA EN LA DESTRUCCIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS TÓXICOS

PRODUCTO TOX. (ºc) TIEMPO (h) Eficacia (%)

Acroleina 275 1 99,96

Acrilonitrilo 275 1 99,00

2,4-Dimetilfenol 275 1 99,99

2,4-Dinitrotolueno 275 1 99,74

1,2-difenilhidracina 275 1 99,88

Nitrofenol 275 1 99,60

Fenol 275 1 99,80

Ácido fórmico 300 1 99.30

Cloroformo 275 1 99,90

Tetracloruro de carbono 275 1 99,70

1,2-Dicloroetano 275 1 99,70

n-Nitrosidimetilamina 275 1 99,60

Hexaclorociclopentadieno 300 1 99,90

Tolueno 275 1 99,70

Dibutilftalato 275 1 99,50

Pireno 275 1 99,95

PCB 320 2 63,00

TECNOLOGÍAS DE OXIDACIÓN (III)

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DESINFECCIÓN (I)

OBJETIVOAcondicionamiento de aguas de consumo

Matar patógenos

CLASIFICACIÓNPreoxidación: entrada de planta

Desinfección primaria: después de filtración

Desinfección secundaria: desinfectante residual

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DESINFECCIÓN (II)DESINFECTANTE VENTAJAS INCONVENIENTES APLICACIÓN

Cloro

EfectivoBaratoFácil aplicaciónElimina NH3Desinfectante primario y secundario

Subproductos peligrosospH ácidoNo elimina Fe(II) y Mn(II)

Hacia el final: THMS ↓Desinfectante secundario

Ozono

Muy efectivoSin THMSElimina materia orgánicaOxidante/desinfectante

Coste elevadoDesinfectante primarioCaroDifícil aplicación

Antes desinfección secundaria

Radiación UVEfectivo virus y bacteriasSin productos secundariosFácil aplicación

No utilizable con aguascoloreadas, con SS, o alta DBODesinfectante Primario

Hacia el final del tratamiento

Dióxido de cloro No produce THMSCaro, subproductos peligrosos,ineficaz a concentracionesrecomendadas

Antes de filtraciónTratar con carbón activo.

Monocloroaminas Larga duración residualNo produce THMS

Subproductos peligrososNo elimina NH3No efectivo contra virusSolo como desinf. secundario

Al final del proceso

Permanganato potásico

No produce subproductosElimina Fe(II) y Mn (II)Fácil aplicaciónEs barato

Es mal desinfectanteNo elimina amoniaco Antes de filtración

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Parámetro

Fósforo

Rendimientos parciales (RP, %) y acumulados (RA, %) usuales para la eliminación de la carga contaminante en una planta de

tratamiento de efluentes.

DBO5

SS

Tratamiento primario

12,5

RA

25

12,5

RP

25

72 72

16,5

Tratamiento secundario

RP

90

70

25

RA

92,5

91,5

91,5

Tratamiento terciario

RP

33

33

94

RA

95

95

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ADSORCIÓN

TiempoR

egen

erac

ión

Uso

Tiempo

[B]adsorb

Uso

[B]fluido

a)

capacidad de adsorción: cantidad de sustancia que puede ser adsorbida por unidad de peso o volumen de adsorbente,

selectividad, es la tendencia a adsorberse de una sustancia cuando se encuentra en presencia de otras que pueden también ser adsorbidas.

[B]adsorb

[B]fluido

Tiempo

b) Columna A Columna B

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ADSORCIÓN CON CARBÓN ACTIVO

Sistema de adsorción

Circulación en lecho fijo

Transferencia de contaminante líquido → sólido

Regeneración térmica del lecho.

ELIMINA

Fenoles

Sustancias coloreadas

Tóxicos en general

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ABSORCIÓN / DESORCIÓN:

Y2G2 X1

L1

G1

Y1

L2

X2

ABSORCIÓN

Y1 > Y2X1 < X2

X2Y2

G1

G2

L1

L2

Y1 X1

DESORCIÓN

Y1 < Y2X1 > X2

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ARRASTRE CON VAPOR O AIRE

Sistema de desorción

Circulación en contracorriente

Transferencia de contaminante líquido → gas

ELIMINA

Amoniaco

Disolventes (COV’s)

Sustancias volátiles

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LAVADO DE GASES: STRIPPING

Sistema de absorción

Burbujeo a través del líquido

Con reacción (neutralización, oxidación-

reducción) o no

Transferencia de contaminante gas →

líquido

ELIMINA

Malos olores

Disolventes (COV’s)

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INTERCAMBIO IÓNICO

RES--A+

USO

B+disol RES--A++B+→

RES--B++A+

A+disol AGOTAMIENTO

B+disol RES--A++B+

RES--B++A+

B+disol

REGENERACIÓN

A+disol RES--B++ A+ →

RES--A++ B+

B+disol

TIEMPO

[B+ ]

RE

S

34

Columnas de intercambio iónicoSistema de intercambio

aniónico, catiónico o mixto

Resinas orgánicas, inorgánicas

e híbridas.

Circulación en lecho fijo

Transferencia de contaminante

líquido → sólido

ELIMINA

Iones metálicos

Ablandamiento de aguas

Nitratos

Compuestos iónicos orgánicos.

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REGULACIÓN DE pH

HOMOGENEIZACIÓN

Efluente ácido

Qácido

Efluente básico

Qbase

baseácido

pHbase

pHácido

10final QQ10

Q·10

Q

logpHbaseácido

+

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

−=

DOSIFICACIÓN

Efluente ácido

OCa

Efluente básico

CO2

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AGUA BRUTA ¿Presenta sólidos medios y gruesos?

PRETRATAMIENTO

Si

No ¿Necesita ajustede pH?

Si

NEUTRALIZACIÓN

No¿Presenta gases?

SiSTRIPPING

Gases

SEDIMENTACIÓN SiSólidos

No

¿Filtrable?FiltraciónSi

Sólidos

No

¿Adsorbible?AdsorciónSi

Sólidos

No

¿Oxidable óreducible?Oxidación/reducción

Si

No

¿Necesita reducirvolmen?

Extracción/Evaporación

SiSólidos

SiFlotación Aceites y

grasas

SiLagunaje

Lodos

No

¿Se recuperanlos sólidos?

Degradación anaeróbica

Si

No

¿Se necesitaaireación y rapidez de

operación?

Si Lodos activosFiltros biológicos

¿Aceites y grasas?

Si

Lodos

Ox. Húmeda/incineración

SiCenizas

No

No

¿Es orgánico?

¿Biodegradable?

Si

No

No

¿Precipitable?

No

¿Se disponede mucho terreno y

tiempo cálido?

No AGUA DEPURADA

No

¿Necesta destruirel residuo?

Lodos