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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
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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.
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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
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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