Módulo 6: TRATAMIENTO DE EFLUENTES Y MANEJO DE RESIDUOS

1. Módulo 6:TRATAMIENTO DE EFLUENTES Y MANEJO DE RESIDUOS Programa de Movilidad en Educación Superior para América del Norte

2. Estructura del módulo Este módulo está dividido en 3 “tiers”, cada uno con un objetivo específico: Tier 1.- Introducción básica Tier 2.- Caso de estudio del sector de pulpa & papel Tier 3.- Problema propuesto-resuelto (open-ended)

3. Tier 1. Contenido: • Introducción • Problemas de contaminación industrial. Industria del petróleo. Industria de la pulpa y el papel. • Programas para reducir la contaminación. • Procesos de tratamiento. • Selección de procesos. • Reducción de volumen y almacenamiento.

4. Tratamiento de Efluentes y Manejo de Residuos Tier I: Conceptos introductorios Tier 1

5. Objetivos: • Proveer información acerca de la importancia del tratamiento de efluentes de la industria u otras fuentes • Extremar la necesidad de minimizar la concentración de contaminantes en los efluentes y reducir la producción de desechos, y, • Sugerir estrategias para reducir la producción de desechos contaminantes y su emisión al ambiente. Tier 1

6. ¿Qué es contaminación? Contaminación significa: …cambiosen las características físicas, químicas y biológicas del aire, tierra y agua …dañoal hombre y otras especies vivas, y, …degradación de los ecosistemas ...el estado indeseable del medio ambiente natural siendo contaminado con substancias dañinas como consecuencia de las actividades humanas Por ejemplo, Contaminación del Agua se refiere a contaminantesen ecosistemas acuáticos (corrientes, lagos, etc.) que los hace inservibles para un uso particular. Tier 1

7. Lo contaminantes pueden alcanzar: • Aire • Agua • Desecho sólido Este módulo se enfoca en contaminación del agua de fuentes industriales Tier 1

8. Estándares del Agua: Potable Recreación: nadar, pescar. Irrigación Las impurezas del agua pueden o no ser dañinas; depende de: • Las cantidades y naturaleza de las impurezas, • El uso siguiente en que va a ser empleada el agua, y • La tolerancia de estas impurezas en el uso siguiente. Tier 1

9. Tipos y características de aguas de desechos: Tier 1

10. Estándares del Agua Tier 1

11. Tier 1

12. ¿Qué es DBO? Por definición, DBOes la cantidad de oxígeno requerida para la estabilización de la materia orgánica oxidable presente durante 5 días de incubación a 20 oC; que puede ser explicada como la medida del oxígeno requerido por los microbios para degradar un efluente muestra. El contenido orgánico puede ser estimado a través de la DBO. Tier 1

13. ¿Por qué debemos minimizar el uso del agua? El agua es una parte importante en la mayoría de los procesos de manufactura, por lo que debemos de considerar al Tratamiento de Efluentes como parte del proceso principal debido a la gran cantidad de agua involucrada. El agua es sustraída de mantos acuíferos y ríos, tratada y suministrada a industrias y casas para diferentes usos; se supone que el agua usada debe ser tratada y descargada nuevamente en ríos. La mayoría de las veces, esta agua regresa a su ambiente natural, pero desafortunadamente, con un mayor contenido de calor o con algunas sustancias adicionadas. Tier 1

14. ¿Por qué debemos minimizar el uso de agua? También es importante minimizar el uso del agua debido a varios razones: • El agua fresca es escasa. Elevados costos de la operación de plantas de tratamiento de efluentes. • La dificultad de separar todos los elementos que contaminan el agua. Tier 1

15. Problemas de contaminación industrial Tier 1

16. Problemas de contaminación industrial: Los principales problemas de contaminación están relacionados a: • Aumento en el uso de agua para la agricultura. • Aumento de las corrientes de desechos acuosos. • Aumento de la población. • Productos industriales y servicios. • Las barreras mentales, técnicas, financieras, regulatorias e institucionales para implementar tecnologías preventivas modernas. RESULTADOS: Ecosistemas en decadencia. Costos sociales de la industrialización. Aumento de enfermedades humanas. Tier 1

17. Industria del Petróleo Tier 1

18. Industria del Petróleo: Las operaciones de refinado del petróleo crudo involucran la extracción de productos útiles de petróleo a partir del aceite crudo. El aceite crudo contiene fracciones de naftas, gasolina, aceites gaseosos, diesel, asfalto, combustible jet y combustibles lubricantes. Grandes cantidades de deshecho de producción durante la exploración y producción: • Agua de desecho • Deshechos sólidos • Contaminantes tóxicos. Tier 1

19. Industria del Petróleo: La generación de desechos en la industria del petróleo puede ser agrupada en 2 grandes clases: • Desechos relacionados a la perforación incluyendo aditivos químicos: tratamiento y almacenamiento de los desechos de perforación ocurren dentro o fuera del sitio de perforación. • Desechos relacionados a la producción de aceite, produciendo principalmente agua: El volumen del agua producida excede el volumen de los deshechos de perforación. Si los estándares de la calidad ambiental no son excedidos, el residuo puede ser descargado a las aguas superficiales. La mayoría del agua producida es almacenada o “enterrada” a través de pozos de inyección y esto es permitido por los programas de la EPA. Tier 1

20. ¿Qué es efluente de refinería? Las refinerías de petróleo emplean grandes volúmenes de agua en sus procesos. Las aguas de deshechos contienen químicos peligrosos: Especificaciones de los productos deseados Gas petróleo licuado Proceso Secundario Alimentación Nafta Cracking catalítico y reformado Unidades fraccionadoras Aceites de lubricación keroseno Aceite crudo Cracking térmico Combustible turbina Otros Betunes Aceite diesel Aceite combustible residual Coke Tier 1

21. Desechos de la Refinería: Las emisiones de las refinerías incluyen: • Óxidos de azufre • Óxidos de nitrógeno • Benceno, tolueno y xileno • VOC • Agua de desecho con presencia de niveles de DBO • Metales pesados Tier 1

22. Contaminación Cantidades Aproximadas Sistemas de enfriamiento 3.5-5 m3 de agua de deshecho generada por ton de crudo. Agua de deshecho contaminada DBO 150-250 mg/l DCO 300-600 mg/l fenol 20-200 mg/l aceite 100-300 mg/l (agua no salobre) aceite 5000 mg/l en el fondo del tanque benceno 1-100 mg/l metales pesados 0.1-100 mg/l Deshechos sólidos y lodo 3 a 5 kg por ton de crudo (80 % debería ser considerado como deshecho peligroso debido a la presencia de metales pesados y tóxicos orgánicos). Emisiones de VOC 0.5 to 6 kg/ton de crudo. Otras emisiones BTX (Benceno, Tolueno y Xileno) 0.75 to 6 g/ton de crudo Óxidos de azufre 0.2-0.6 kg/ton de crudo Óxidos de nitrógeno 0.006-0.5 kg/ton de crudo Deshechos generados: Tier 1 (Pollution Prevention and Abatement Handbook World Bank Group)

23. Industria de la Pulpa y el Papel Tier 1

24. Cómo se hace el papel: La mayoría de la materia prima empleada en la manufactura del papel es suministrada por los árboles. Los principales pasos en la manufactura del papel son la preparación de la materia prima, como la “separación” de la madera, y generación de astillas; manufactura de la pulpa; blanqueaqdo de la pulpa; manufactura del papel y reciclado de fibras. Las plantas de pulpa y las de papel pueden existir como procesos separados u operaciones integradas.. Las características del papel (suavidad, lustrocidad) son logradas en un proceso llamado “calendering”. El papel enviado a la zona de recubierto, se recubre con una fina capa de pigmento o relleno en su superficie. Tier 1

25. Industria de la Pulpa y el papel: La industria de la pulpa y el papel ha dado paso significativos hacia la conservación del agua y la energía. Reducciones significativas del uso del agua han sido logradas a través de mejores métodos de reuso y separando el agua de enfriamiento del agua de proceso. Las corrientes de desecho generadas por esta industria son mejor clasificadas por sus orígenes, como se muestra en la siguiente diapositiva. Tier 1

26. Tipos de productos de desechos en la industria de la pulpa y papel: • Material originado por materia prima (madera con polvo y corteza). • Compuestos no fibrosos en la madera. • Contaminantes en los desechos de papel y químicos sintetizados. • Productos de reacción (substancias para disolver la madera empleados en acciones químicas o mecánicas). • Fragmentos de fibras. • Subproductos de la recuperación química y combustión. • Pérdidas en procesos (fibrosos y no fibrosos) y descargas de agua, aire y calor. Tier 1

27. Industria de la pulpa y el papel Uso del agua y efluentes de descarga: Las descargas líquidas del proceso contienen sólidos, principalmente fibras, rellenos y material coloidal y disuelto. Las fibras y rellenos son minimizados y reusados. Los materiales coloidales y disueltos son subproductos del refinado de las fibras o arrastrados desde la planta de pulpa. Las descargas de material disuelto son minimizadas lavando el stock y colocando transportadores en las plantas de pulpa, y empleando buenas estrategias de reuso de agua que reduzcan el volumen y concentración de residuos en las aguas de desecho. Tier 1

28. Programas para reducir la contaminación Tier 1

29. Programas gubernamentales para la reducción de la contaminación: Para el desarrollo sostenible, los programas gubernamentales de prevención de contaminación pueden contrarrestar la presión de invertir en soluciones de “final de la tubería” demostrando los beneficios económicos y ambientales del empleo de la “reducción de la fuente”, generando información técnica disponible y proveyendo de asistencia técnica. La EPA ha estado trabajando con la industria y el gobierno, representando los asuntos ambientales, comunitarios y de trabajo para prevenir la contaminación desde la fuente, previo al tratamiento de “final de la tubería”. Tier 1

30. Programas gubernamentales para la reducción de la contaminación: Leyes como la NEPA, TCSA, CAAA y PPA permanecen fuera del ámbito de la mayoría de los trabajos de control de la contaminación. Las siguientes opciones fueron propuestas por la USEPA para crear interacciones dentro de US: • Agregar disposiciones multi-media a las regulaciones existentes. • Corregir las leyes en otros sectores políticos con medidas ambientales. • Hacer de la NEPA un estatuto más fuerte. • Hacer de la TSCA una ley que pueda usar los programas de la EPA para controlar y reducir las substancias tóxicas. • Establecer enfoques de prevención de la contaminación. Tier 1

31. Programas para reducir la contaminación: Los productores pueden implementar una gran variedad de procedimientos de manejo mejorados que puede ayudar a la reducción de la contaminación: • Auditorías ambientales. Identificar (inventario) y corregir los problemas (estrategias para lograr reducciones) que generan desechos. • Mantenimiento preventivo regular. Inspección, mantenimiento y replazo de equipo. • Manejo y almacenamiento de material. Emisiones de material peligroso deben ser evitadas. Todos los contenedores deben tener etiquetas recomendaciones de primeros auxilios. • Trabajadores entrenados. Trabajadores bien informados generan sugerencias para la reducción de desechos. • Manual de operación y registros. Buena información de la planta: procesos procedimientos, parámetros de control, peligros y responsabilidades de operación. Tier 1

32. Programas ambientales: Algunas industrias no encuentran la diferencia entre control de contaminación al final de la tubería y control de prevención de contaminación “front end”. La importancia es que esas industrias no van más allá del primer paso de reducción de desechos. Conforme la preocupación ambiental crece, las industrias deben moverse más allá de la cadena productiva: • Solución de final de la tubería a desechos y contaminantes; después • Modificaciones internas del proceso para reducir emisiones y desechos, y eventualmente • Rediseño de productos para alcanzar un nivel máximo de reciclaje de materias primas y minimizar los desechos después de que los productos son usados. Tier 1

33. Algunas medidas para salvar el agua: • Mantener los efluentes de agua separados. • Reusar el agua tan cerca de la fuente como sea posible. • Reciclar cuando sea posible. • Mejor control a través de sistemas automatizados. • Revisar y controlar fugas. • Al comprar un equipo nuevo, evaluar los modelos de eficiencia de agua incluyendo los accesorios. • Reducir las cantidades de químicos con el fin de reducir el agua para dilución. Tier 1

34. Agua de reuso: No es sólo posible sino necesario reusar el agua de desecho de una corriente de proceso antes de que abandone la planta bombeando, diluyendo o tratando algunos de los efluentes antes de volver a ser usados.. Algunas plantas están usando sistemas cerrados, de tal manera que no hay descargas de agua. Cero descargas ha sido implementado en lugares donde el agua es poca, y puede involucrar tecnologías para remover sólidos suspendidos y disueltos. La desmineralización completa es relativamente cara, sin embargo, en algunos casos las descargas del agua de desecho puede ser reducido significativamente con otras tecnologías menos costosas. Tier 1

35. Procesos de tratamiento Tier 1

36. Expectativas de los programas de tratamiento de agua: Las expectativas de los programas de tratamiento de agua deben estar integrados para que se incluyan todos los aspectos del programa, desde la propuesta hasta las etapas de implementación. Tier 1

37. Programa de Tratamiento Como se verá a continuación en el siguiente diagrama, las expectativas logradas por un buen programa de tratamiento se listan a continuación: • Visión general del problema. • Estudio de laboratorio de todo el sistema y de la composición del agua. • Presentar una propuesta. • Programa de implementación. • Monitorear para optimizar. • Uso de técnicas modernas de tratamiento. Programa bajo control Tier 1

38. Programa de Tratamiento Sistema Problema Planta en Estudio Propuesta Implement. del Programa Sistema Bajo Control Esudio de Lab. Seguimiento Tecnología del Nevo Producto Tier 1

39. Procesos de tratamiento de agua de desecho: Los desechos son generados por cada complejo industrial, y estos desechos pueden ser sólidos o líquidos. El tratamiento del agua de desecho puede ser dividido en tres etapas: • Tratamiento primario que usa operaciones físicas para remover aceite libre y/o sólidos suspendidos. • Tratamiento secundario para remover contaminantes disueltos a través químicas o biológicas, y • Tratamiento terciaro para remover contaminantes residuales. Tier 1

40. Orden de separación La siguiente lista muestra cómo se realiza la separación: • Tratamiento primario • Sedimentación • Aereación • Tratamiento secundario • Tratamiento terciario Tier 1

41. Tratamientos… Tratamiento primario prepara al agua de desecho para un tratamiento biológico. Sólidos grandes son removidos por tamizado. La igualación en un tanque mezclador, nivela las variaciones de flujo y concentración. La neutralización, cuando es requerida, sigue de la igualación. Aceites, grasa y sólidos suspendidos son removidos por flotación, sedimentación o filtración. Tratamiento secundario es una degradación biológica de compuestos orgánicos solubles de niveles de entrada de 50- 1000 mg/l DBO o mayores a niveles de efluentes bajo 15 mg/l. Se realiza tratamiento aeróbico en tanques abiertos. Después del biotratamiento, los microorganismos y sólidos suspendidos se dejan asentar. Tier 1

42. Tratamientos… Tratamiento terciario remueve residuales específicos. Por filtración, los sólidos coloidales suspendidos pueden ser removidos; la adsorción remueve orgánicos por carbón activado granular (GAC); y la oxidación química remueve también compuestos orgánicos. Los sistemas terciarios tratan cantidades más grandes de agua de desecho, por lo cual son más caros. Cuando las corrientes ricas en metales pesados, pesticidas u otras substancias que pueden pasar a través del primer tratamiento e inhiben el tratamiento biológico están presentes, tratamientos en-planta son necesarios. Precipitación, adsorción de carbón activado, oxidación química, stripping aéreo o de corriente, oxidación de aire húmedo, intercambio iónico y la ósmosis inversa son algunos métodos útiles cuando se emplea el tratamiento en-planta. Tier 1

43. El tratamiento terciaro… El tratamiento terciario es un paso de refinado. Su importancia radica en lugar de encontrar soluciones al final de la tubería, donde el tratamiento primario y secundario son usados, es posible minimizar algunos componentes tóxicos o peligrosos en el proceso antes de que éstos sean combinados con otros menos peligrosos. El tratamiento biológico un efluente ’30/20’ con no más de 30 mg/l sólidos suspendidos y 20 mg/l DBO. Tier 1

44. Tratamiento terciario Sin embargo, las corrientes de los ríos han decrecido debido condiciones de sequía. Bajo estas circunstancias, nuevos límites son impuestos sobre la calidad del efluente final. Los procesos de tratamiento para alcanzar los límites requeridos en el proceso son bien conocidos como tratamientos terciarios. Tier 1

45. Tratamiento en-planta Un programa de minimización de residuos debe ser implementado antes del tratamiento de final de la línea. • Recirculación. En la industria del papel, el agua blanca proveniente de las máquinas de papel puede ser enviada a los ahorradores para remover la pulpa y la fibra y reciclarlos a varios puntos del proceso. • Segregación. Las corrientes limpias son separadas para descargas directas • Disposición. En muchos casos, la descarga total de DBO y sólidos suspendidos puede ser reducida removiendo el residuo en un estado semiseco. • Reducción. El uso de “cutoffs” automáticos pueden reducir el volumen de agua de desecho. • Substitución. La substitución de aditivos químicos con un menor efecto contaminante en las operaciones de proceso. Tier 1

46. . Procesos de tratamiento de agua de desecho:Proceso de selección Tier 1

47. Figura 1. Programa teórico de tratamiento de agua de desecho industrial con compuestos orgánica y tóxicos Para aguas de desecho que contienen compuestos orgánicos no tóxicos, los criterios del diseño del proceso pueden obtenerse a través de estudios de laboratorio. Para definir los problemas del tratamiento del agua de desecho, se plantea un análisis preliminar: Corrientes Orgánicas Corrientes con metales pesados Corrientes minerales Tóxicos y/o no-biodegradables volátil Biodegradable Fuente de control Figura 3. Igualación Neutralización Remoción aceit/grasa Sólidos suspendidos Biological treatment Disposición final Tier 1 (Eckenfelder, 2000)

48. Tratamiento de la fuente: meta • Reducción de la fuente es cualquier actividad que reduce o elimina la generación de desechos peligrosos en la fuente • Su principal objetivo es el de lograr cambios en la composición, uso y patrones de generación de desecho asociados con los productos Tier 1

49. Tratamiento de la fuente: El tratamiento de la fuente involucra diferentes de definiciones de reducción de la fuente, pero el consenso general para ser la inclusión de acciones en-planta para reducir la cantidad o toxicidad de las fuentes de desechos. Los ejemplos incluyen modificaciones de equipamiento, diseño y cambios de operaciones del proceso y productos y substitución de materias primas. Tier 1

50. Figura 2. Estudios de laboratorio para metales pesados/orgánicos volátiles Inicio Stripping con aire o vapor VOC/NH3 Muestra Igualada Chemical oxidation reduction Principales contam. scan y bioassay Precipitación Metales pesados Cuando se tienen compuestos orgánicos e inorgánicos, es necesario evaluar la presencia de metales pesados o compuestos orgánicos volátiles. No-degradables/ tóxicos Aliment. reactor batch Tratamiento de la fuente Degradable Biodegradación a largo plazo Carbón activado granular Ósmosis inversa Principales contam. scan y bioassay Carbón activado en polvo Principales contam/tóxico Intercambio iónico SDT/inorgánicos Tier 1 (Eckenfelder, 2000)