ESCUELA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA INDUSTRIA AZUCARERA “
”
ASIGNATURA
: Tratamiento de Aguas
DOCENTE
: César García Espinoza.
INTEGRANTES
: Acosta Lucero José Luis Mendoza Aparicio Manuel
CICLO
: 2011 - I AGUAS RESIDUALES EN INDUSTRIAS AZUCARERAS
INTRODUCCION: El sector de alimentos es el sector industrial que más consume agua y equipo de tratamiento de aguas. Esto se debe a las crecientes demandas ecológicas,
la preocupación por la seguridad y pureza de agua y el incremento de leyes que regulan el tratamiento y uso de aguas. Existen varios tipos de aguas residuales descargadas por la industria de procesamiento de alimentos debido a los distintos tipos de materias primas, procesos y tipos de productos que se utilizan. Esto causa que el contenido, la concentración y los volúmenes de las aguas residuales que descargan las industrias varíen mucho de unas a otras. Sin embargo, el agua de desecho de la producción de alimentos puede ser considerada “amistosa”, ya que
generalmente no contiene químicos tóxicos convencionales (con algunas excepciones, como los fenoles resultantes del procesamiento de algunos materiales vegetales). Pero sí contiene una potencial contaminación por microorganismos. Más generalmente, las aguas residuales de las industrias de alimentos se distinguen por tener concentraciones altas de BOD, altos niveles de sólidos disueltos y suspendidos (incluyendo FOG), nutrientes como amoníaco y minerales. Si estos componentes se separan y recuperan, pueden ser vendidos para su reutilización. El tratamiento y el equipo a elegir dependerán de la capacidad para descomponer la demanda de oxígeno bioquímico (BOD), el contenido de sólidos solubles (SS), la cantidad de lípidos, aceites y grasas (FOG) y del costo del proceso. El mejor método de tratamiento de aguas es tener un programa de manejo de aguas residuales que controle la cantidad de agua usada y la cantidad de producto que se pierde como deshecho. Deteniendo la contaminación de aguas en su origen es mucho menos costoso y más práctico que tener que darle tratamiento al agua desechada.
1. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES También al igual que en el caso de las aguas residuales urbanas, para el tratamiento de las aguas residuales industriales podemos hablar de los mismos procesos generales:
tratamientos primarios, secundarios y terciarios, utilizándose sólo los que sean de aplicación al proceso industrial concreto. Los principales tratamientos en cada una de las categorías son: - Pre tratamientos y tratamientos primarios: cribado, neutralización, coagulación floculación, sedimentación, filtración, floculación, desarenado y desaceitado. Tienen por objeto la eliminación de sólidos en suspensión, coloides, metales pesados y aceites y grasas. Tratamientos secundarios: lodos activados, filtros percoladores, lagunaje, etc. Se elimina materia orgánica biodegradable. Tratamientos terciarios: - procesos de oxidación (destrucción o transformación de materia orgánica y compuestos inorgánicos oxidables) y de reducción. - Procesos de precipitación química: eliminación de metales y aniones inorgánicos. - Arrastre con aire o vapor (stripping): eliminación de compuestos volátiles. Estos tres procesos también pueden ser, a veces, tratamientos primarios. * Procesos de membrana (ósmosis inversa, ultrafiltración, electrodiálisis,...) y de intercambio iónico: eliminación de especies disueltas y coloides en su caso. * Procesos de adsorción con carbón activo. Eliminación de compuestos orgánicos. - Procesos de incineración. Eliminación de compuestos orgánicos. - Procesos electroquímicos: electrolisis y electromembranas. Eliminación o transformación de especies disueltas.
2. TRATAMIENTOS FISICO-QUIMICO. Con la denominación de tratamientos físico-químico de aguas residuales industriales se engloban una serie de tratamientos primarios y terciarios que se suelen aplicar frecuentemente en las industrias.
A. TRATAMIENTOS PRIMARIOS: - Homogenización de efluentes: con el mezclado y homogenización de los distintos efluentes generados en el proceso productivo se consigue disminuir
las
fluctuaciones
de
caudal
de
los
diferentes
vertidos,
consiguiendo una única corriente de caudal y concentración más constante. Se suelen realizar en tanques agitados. - Cribado: al igual que en el caso de las aguas residuales urbanas, esta etapa sirve para eliminar los sólidos de gran tamaño presentes en el agua residual. Se suelen realizar mediante rejillas, con aberturas entre 5-90 mm. - Neutralización: la neutralización (tratamiento ácido-base del agua residual) puede utilizarse para los siguientes fines: * Ajuste final del pH del efluente último antes de la descarga al medio receptor: 5,5-9. * Antes del tratamiento biológico: pH entre 6,5-8,5 para una actividad biológica óptima. *Precipitación de metales pesados: es la aplicación más importante. Intervienen diversos factores: producto de solubilidad del metal, pH óptimo de precipitación, concentración del metal y del agente precipitante, presencia de agentes complejantes del metal (cianuros, amonio). Los metales pesados se precipitan normalmente en forma de hidróxidos, utilizando cal hasta alcanzar el pH óptimo de precipitación (6-11). - Coagulación-floculación: para eliminar sólidos en suspensión y material coloidal.
La Coagulación consiste en la desestabilización de las partículas coloidales, empleando productos químicos (coagulantes) que neutralizan la carga eléctrica de los coloides; la Floculación consiste en la agrupación de las partículas coloidales
desestabilizadas,
formando
agregados
de
mayor
tamaño
denominados “flóculos”, los cuales sedimentan po r gravedad. Para favorecer la
formación de flóculos más voluminosos y su sedimentación, se suelen utilizar determinados productos químicos (floculantes), generalmente de naturaleza polimérica. Estos floculantes establecen puentes de unión entre los flóculos inicialmente formados. Los principales compuestos químicos usados como coagulantes son:
Sales de aluminio: sulfato de aluminio, cloruro de aluminio, policloruro de aluminio (polímero inorgánico de aluminio).
Sales de hierro: cloruro de hierro (III), sulfato de hierro (III)
- Decantación. Se utiliza para la eliminación de materia en suspensión que pueda llevar el agua residual, eliminación de los flóculos precipitados en el proceso de coagulación floculación o separación de contaminantes en un proceso de precipitación química (metales, p.e) - Filtración: La filtración es una operación que consiste en hacer pasar un líquido que contiene materias en suspensión a través de un medio filtrante que permite el paso del líquido pero no el de las partículas sólidas, las cuales quedan retenidas en el medio filtrante. De este modo, las partículas que no han sedimentado en el decantador son retenidas en los filtros. - Separación de fases: Separación sólido-líquido: separación de sólidos en suspensión. Se suelen emplear la sedimentación, la flotación (para sólidos de baja densidad) y la filtración.
Separación líquido-líquido: la separación de aceites y grasas es la aplicación más frecuente.
B. TRATAMIENTOS TERCIARIOS: El objetivo principal de los tratamientos terciarios es la eliminación de contaminantes que perduran después de aplicar los tratamientos primario y secundario; son tratamientos específicos y costosos, que se usan cuando se requiere un efluente final de mayor calidad que la obtenida con los tratamientos convencionales. Las principales técnicas son: - Arrastre
con vapor de agua o aire: denominados como procesos de
“stripping”, para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COV), como
disolventes clorados (tricloroetileno, clorobenceno, dicloroetileno, etc.) o contaminantes gaseosos (amoníaco, etc.). - Procesos de membrana: en estos procesos el agua residual pasa a través de una membrana porosa, mediante la adición de una fuerza impulsora, consiguiendo una separación en función del tamaño de las moléculas presentes en el efluyente y del tamaño de poro de la membrana. - Intercambio iónico: sirve para eliminar sales minerales, las cuales son eliminadas del agua residual que atraviesa una resina, por intercambio con otros iones (H+ en las resinas de intercambio catiónico y OH - en las de intercambio aniónico) contenidos en la misma. - adsorción con carbón activo: para eliminar compuestos orgánicos. Se puede utilizar en forma granular (columnas de carbón activado granular: GAC) y en polvo (PAC). - procesos de oxidación: sirven para eliminar o transformar materia orgánica y materia inorgánica oxidable. Los principales procesos de oxidación se pueden clasificar en: - procesos convencionales de oxidación: se usan como oxidantes ozono, peróxido de hidrógeno, permanganato de potasio, hipoclorito de sodio, cloro y oxígeno.
- Procesos de oxidación avanzada: - combinaciones de oxidantes: O3 + UV, O3 + H2O2, H2O2 + UV, O3 + alto pH. - procesos a alta temperatura y presión: oxidación con aire húmedo (WAO), oxidación en condiciones supercríticas, etc. - detoxificación solar: utiliza la radiación UV solar, con catalizador de TiO2. - procesos de reducción: para reducir elementos metálicos en alto estado de oxidación (reducción de Cr6+ a Cr3+) mediante sulfito de sodio, tiosulfato de sodio, sulfato ferroso, etc). - Precipitación química: se basa en la utilización de reacciones químicas para la obtención de productos de muy baja solubilidad. La especie contaminante a eliminar pasa a formar parte de esa sustancia insoluble, que precipita y puede ser separada por sedimentación y filtración.
C. TRATAMIENTOS BIOLOGICOS O SECUNDARIOS Los tratamientos secundarios son procesos biológicos, en los que la depuración de la materia orgánica biodegradable del agua residual se efectúa por la actuación de microorganismos (fundamentalmente bacterias), que se mantienen en suspensión en el agua o bien se adhieren a un soporte sólido formando una capa de crecimiento. Los efluentes industriales con carga orgánica depurable por métodos biológicos,
corresponden
principalmente
a
industrias
de
carácter
agroalimentario, aunque otras industrias como papeleras, farmacéuticas, etc., también producen vertidos que pueden ser sometidos a estos tratamientos secundarios. Los procesos biológicos pueden ser de dos tipos principales: aerobios y anaerobios (en ausencia de aire); en general, para aguas con alta carga orgánica (industrias agroalimentarias, residuos ganaderos, etc.) se emplean sistemas anaerobios y para aguas no muy cargadas, sistemas aerobios. En la práctica pueden ser empleadas ambas técnicas de forma complementaria.
Los tratamientos biológicos engloban tanto el proceso de reacciones biológicas comentado, como la posterior separación de los fangos por decantación. Entre las variables a controlar en estos procesos se encuentran la temperatura (en anaerobios esencialmente), oxígeno disuelto, el pH, nutrientes, sales y la presencia de inhibidores de las reacciones. a) Tratamientos aerobios. Los más empleados son el de lodos activados y tratamientos de bajo coste: filtros percoladores, biodiscos, biocilindros, lechos de turba, filtros verdes y lagunaje (este sistema se puede considerar como “mixto”, ya que se dan tanto en procesos aerobios como anaerobios,
dependiendo de la profundidad). En todos estos procesos, la materia orgánica se descompone convirtiéndose en dióxido de carbono, y en especies minerales oxidadas. b) Tratamientos anaerobios. La descomposición de la materia orgánica por las bacterias se realiza en ausencia de aire, utilizándose reactores cerrados; en un proceso anaerobio, la mayoría de las sustancias orgánicas se convierte en dióxido de carbono y metano. Los productos finales de la digestión anaerobia son el biogás (mezcla gaseosa de metano, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno), que se puede aprovechar para la producción energética, y los lodos de digestión (compuestos no biodegradables y biomasa). Estos tratamientos tienen tres aplicaciones principales: - Residuos ganaderos. - Aguas residuales industriales con alta carga orgánica. - Lodos de depuradora. c) Tratamientos mixtos: en algunos casos se utilizan tratamientos aerobios y anaerobios, bien de forma consecutiva, alternante o produciéndose ambos a la vez. Esto último es lo que sucede en las denominadas lagunas facultativas, con zonas de depuración aerobia (zona más superficial) y anaerobia (zonas más
profundas). En los sistemas de lagunaje se combinan las lagunas de los tres tipos, anaerobias, aerobias y facultativas. Figura nº 1: Resumen del tratamiento de aguas industriales.
D. TRATAMIENTO DE LOS FANGOS. En todo tratamiento de aguas residuales se producen, junto al agua depurada, una serie de lodos o fangos que deben ser tratados adecuadamente. Según el tipo de tratamiento y la naturaleza de los contaminantes eliminados, serán lodos de naturaleza predominantemente inorgánica u orgánica. Las principales etapas en el tratamiento de los lodos son: espesamiento (concentración) por decantación o flotación, digestión (estabilización para fangos fermentables), deshidratación y evacuación. Los objetivos finales buscados en el tratamiento de los lodos son: - Espesamiento: reducción de volumen en tanques de sedimentación o flotación,
según
la
naturaleza
del
fango.
A
veces
se
realiza
un
acondicionamiento previo, de tipo físico-químico (coagulaciónfloculación, elutriación) o térmico. - Digestión: para fangos de naturaleza orgánica. En procesos de carácter aerobio (similar a fangos activos) o anaerobio (aprovechamiento energético). - Deshidratación y secado: con el objetivo de una eliminación lo más completa posible del agua del fango. Normalmente con una etapa de acondicionamiento previo. Métodos más utilizados: filtros de vacío, filtros prensa, filtros banda, centrífugas, evaporación térmica o en eras de secado. - Evacuación: depósito o destino final de los lodos. Métodos principales: vertedero
de
seguridad
o
de
residuos
sólidos
urbanos
según
sus
características; incineración con o sin adición de combustible adicional según el poder calorífico de los lodos, se generan cenizas, escorias y gases que necesitan tratamiento, con o sin recuperación de energía; compostaje, descomposición biológica controlada, de la materia orgánica, en condiciones aerobias, con el fin de obtener “compost” (abono orgánico).
3. DESCRIPCION DEL USO DE AGUA POR PROCESOS La mejor manera de cuantificar los volúmenes de agua que la industria azucarera demanda y descarga actualmente y a futuro, es mediante la
determinación de volúmenes índice de demanda y descarga, o sea relacionar la cantidad de agua que un ingenio demanda o descarga a la producción que genera Es aquí donde se presentan diferentes criterios acerca de cual sería el mejor medio de relacionar el uso del agua, ya que de acuerdo al proceso de obtención de azúcar se pueden obtener productos Intermedios o sub productos que varían de un ingenio a otro por lo que el relacionar el volumen de agua a la producción de azúcar presenta inconvenientes . Siendo la caña la materia prima utilizada con la producción de cualquier tipo de a azúcar, la relación de agua demandada o descargada a la cantidad de caña que se muele es considerada como un índice estimativo de Ios volúmenes de agua utilizada con mayor certeza ya que sin importar los productos a obtener y los subproductos que se generan, o dejen de generar, la cantidad de caña que entra a un ingenio será siempre la misma, no importando tampoco el grado de eficiencia en remoción de sacarosa en los procesos productivos . Por otro lado, es factible también obtener índices de manejo de agua relacionados, a la cantidad de jugo mezclado que se genera inmediatamente después de la molienda de la caña. Este último criterio presenta el inconveniente siguiente: El jugo mezclado contiene una determinada cantidad de agua (llamada de imbibición) que se añade al jugo de caña en un porcentaje en peso de ésta. El mencionado porcentaje no tiene un valor fijo, variando de un ingenio a otro, por lo que la validez de un índice de manejo de agua relacionado a la cantidad de jugo mezclado, puede presentar variaciones considerables. Ya que no es el objeto de este estudio el determinar cual de los criterios para la obtención de valores índice de manejo de agua es el mejor, dentro del desarrollo del estudio se presentarán los valores índices según los tres criterios enunciados, a reserva de que posteriormente se: considere que uno de ellos es el realmente válido. (Los diferentes tipos de azúcar que comercialmente existen en el mercado, obligan a la clasificación de los ingenios atendiendo al producto final, quedando agrupados. como sigue: (1) ingenios que producen azúcar crudo o mascabado,
(2) ingenios que producen azúcar estándar e (3) ingenios que producen azúcar refinado. Esta clasificación puede presentar variantes según si el ingenio en cuestión cuenta o no con destilería para la producción de alcohol etílico. Generalmente, donde el agua es abundante, el consumo de ésta es alto, pero en áreas donde es escasa se reusa, reduciendo de esta manera los volúmenes de alimentación y de descarga. La localización de los ingenios azucareros cae dentro del primer caso, por lo que las demandas y descargas del agua son altas) para poder reducir los volúmenes de agua utilizados en un ingenio, es necesario conocer si no en detalle al menos en forma general los procesos en los que se requiere agua y el uso que de ella se hace.
3.1 Demanda y Manejo Interno. 3.1.1.Fabricación de Azúcar Crudo. El empleo del agua dentro de la fabricación de azúcar comienza en la operación de lavado de caña, el cual no siempre se realiza, dependiendo del grado de mecanización ejercido durante la recolección o cosecha ya que cuando se efectúa mecánicamente, la caña llega al ingenio común alto contenido de piedras, tierra y objetos extraños que pueden perjudicar el funcionamiento de los molinos. Otro de los objetivos normativos en la ejecución del lavado de la caña es el de evitar que la arcilla interfiera en el proceso de decoloración del guarapo. El agua se utiliza también para lavar el bagazo que sale de los molinos, incorporándose al guarapo bajo la forma de soluciones cada vez más diluidas de sacarosa. Durante el proceso de clarificación del guarapo, a este se le añaden pequeñas cantidades de agua al adicionar la cal que neutraliza los ácidos volátiles y precipita las pectinas. Esta solución (guarapo-cal) se envía a grandes sedimentadores (clasificadores) con un tiempo de retención de 5 a 10 horas. El líquido clarificado se manda a los evaporadores en donde pierde parte del agua y posteriormente se transfiere a los cristalizadores en donde se hace una evaporación controlada por vacío.
Este vacío se obtiene mediante la condensación del vapor de los cristalizadores en la cabeza de unas columnas barométricas que son accionadas por el agua de enfriamiento. Una gran parte de la demanda que en total ejerce un ingenio se destina a la alimentación de agua de enfriamiento a las columnas barométricas. El lodo que se deposita en el fondo de los clarificadores se traslada a filtros de vacío de operación continua, de los cuales el residuo sólido constituye la cachaza y el filtrado, que contiene algo de sacarosa, se añade a la solución que alimenta los evaporadores.
3.1.2 Fabricación de Azúcar Standard o Refinada. Los usos del agua varían ampliamente de una a otra refinería según los procesos que se empleen. En términos generales, Ios diversos usos del agua incluyen: (1) agua para evaporadores y tachos, (2) agua para retro lavado de filtros de arena, (3) agua de lavado de carbón y (4) agua para usos diversos. Las refinerías de azúcar requieren de un 40 a 60% más agua que las fábricas de azúcar crudo, siendo el proceso empleado el factor que determina la cantidad de agua a usar.
4. Origen y Tipo de las Aguas Residuales en la industria azucarera: 4.1 Fabricación de Azúcar Crudo: Las tres principales fuentes de agua residual en la fabricación de azúcar crudo son: (1) agua de lavado de la caña, (2) agua de condensación de las columnas barométricas y (3) en menor grado, agua de lavado de equipo, tuberías y pisos . La cantidad de desechos líquidos y sus características varían ampliamente, dependiendo de las condiciones locales y de los métodos de operación. El agua utilizada en el lavado de la caña constituye la mayor fuente de contaminación en un ingenio, aunque puede ser disminuida considerablemente si la recolección se efectúa manualmente. En términos generales, el agua de lavado de la caña contiene concentraciones altas de sólidos suspendidos, de los cuales una gran cantidad se presenta en forma coloidal o finamente divididos. Debido al daño que sufre la caña cuando se recolecta por medios mecánicos, el agua de lavado puede contener concentraciones substanciales de azúcar, por lo que, desde el punto de vista de la DBO, este desecho constituye la mayor fuente de contaminación. Las aguas de los molinos y de los filtros son incorporadas a la solución industrial y por lo tanto no son desechadas. Los derrames ocasionales en las diferentes partes de los procesos, las filtraciones en las tuberías, las purgas dalas calderas y en general las variaciones en operación constituyen una fuente potencia de contaminación. Este tipo de desechos varía radicalmente con el tiempo y de planta a planta, dependiendo de la naturaleza de los procesos y del cuidado puesto en la operación de los mismos. Durante el período de operación de los ingenios, aproximadamente cada tres semanas se efectúa una limpieza de todas las superficies calóricas para remover las impurezas residuales, siguiendo la siguiente secuencia: (1) lavado con agua, (2) ebullición por varias horas con sosa cáustica concentrada, (3) lavado con ácido clorhídrico diluído y (4) enjuague con agua . Las soluciones limpiadoras y el agua de enjuague contribuyen en pequeña escala al volumen
total descargado por un ingenio, pudiéndose tener características muy objetables debido principalmente a los constituyentes inorgánicos. El agua de condensados representa la mayor fuente de contaminación después del agua de lavado de caña, y cuando ésta no se lava, el agua condensada representa el total de la contaminación orgánica del proceso, atribuyéndose esta característica al arrastre de azúcar dentro del evaporador o bien a un control inadecuado. Las características del agua de condensados puede variar virtualmente de agua pura a soluciones con un alto contenido de compuestos orgánicos capaces de producir una DBO entre 303 y 600 mg/L. En resumen, las características contaminantes de las aguas residuales procedentes de las plantas productoras de azúcar crudo tienen los orígenes siguientes : (1) substancias extrañas que trae consigo la caña antes de llegar al ingenio, (2) residuos de caña, diferentes al azúcar, (3) compuestos químicos usados para limpieza de equipo y (4) pérdidas de azúcar durante el proceso.
4.2 Fabricación de Azúcar Estándar o Refinada: Las fuentes de agua residual de una refinería de azúcar varían dependiendo del tipo de agente decolorante que se utilice, ya sea carbón animal o bien carbón activado. En una refinería que utilice carbón animal como agente decolorante, el mayor flujo de desechos corresponde a las aguas de lavado de carbón en primer término, seguido por las aguas de proceso y las aguas de los enfriadores. Para una refinería que utilice carbón activado como agente decolorante, las principales fuentes de agua residual, de mayor a menor importancia, son las siguientes: (1) condensados de las columnas barométricas, (2) agua de enfriadores, (3) agua de procesos, incluyendo el agua empleada en la regeneración de las unidades de intercambio iónico y (4) lavado de agua de pastas de carbón.
4.3 Fabricación de Alcohol: La fermentación de la melaza final que resulta de la fabricación de azúcar, da como resultado un producto intermedio en la obtención del alcohol etílico llamado vino. La destilación de este vino genera un residuo llamado generalmente vinaza. No es fácil hacer un cálculo dela cantidad de vinaza producida en una destilería, ya que depende de innumerables causas y su composición es extremadamente variable, dependiendo principalmente de la composición del vino sometido a destilación.
5. EFECTOS EN EL MEDIO AMBIENTE DE LA INDUSTRIA AZUCARERA Los efectos sobre el medio ambiente típicos de este ámbito que se originan durante la fabricación del azúcar se deben a:
Aguas residuales del lavado de las remolachas y de la caña, de la central de calderas (agua para desenlodamiento de las calderas) y de la purificación del extracto en las estaciones de evaporación y cocción (condensado sobrante y agua de limpieza), de la refinación (agua de regeneración de los intercambiadores iónicos), de la producción de alcohol, levadura, papel o tablero aglomerado (si la melaza y el bagazo se transforman en la propia empresa), de la limpieza de los patios y de las precipitaciones;
Emisiones al aire procedentes del sistema de calderas (gases de humo de los procesos de combustión de materiales sólidos, líquidos y gaseosos) sustancias volátiles (hollín y ceniza), de la preparación de la materia prima, de la extracción, de la purificación del jugo y de su espesamiento (amoníaco) así como de reacciones bioquímicas de los componentes orgánicos de las aguas residuales en los estanques estratificados (amoniaco y ácido sulfúrico);
Residuos sólidos procedentes de la preparación de la materia prima (tierra, restos de plantas), de los generadores de vapor (ceniza) y de la purificación del extracto (lodo de filtros).