José Antonio Muñoz Sánchez, Salvador Teruel Fernández, Manuel Santiandreu López |
Instituto de Investigación DSM DERETIL |
1. INTRODUCCIÓN
DSM es una compañía multinacional cuya sede central se sitúa en Holanda que se dedica principalmente a la industria química y sus derivados.
DSM-Deretil es una de sus empresas filiales sita en Villaricos, una pedanía de Cuevas del Almanzora en el levante almeriense, que se dedica a la producción de compuestos quirales, ópticamente activos, utilizados como cadenas laterales en la síntesis de antibióticos ß-lactámicos , entre los que cabe citar como más representativos la amoxicilina, la ampicilina y la cefalexina entre otros.
La empresa, en el marco de un plan de expansión de sus producciones, va a construir una serie de ampliaciones de las plantas ya existentes por lo que sus actuales sistemas de tratamiento de aguas residuales no resultarán ser los óptimos. La nueva producción generará una mayor cantidad de aguas residuales que harán inviable económica y medioambientalmente las actuales soluciones.
Ante este desafío se ha decidido la construcción de un sistema de depuración acorde con las nuevas exigencias de producción y abordando el tratamiento de manera que se cumplan todos los requerimientos medioambientales necesarios.
2. PROBLEMÁTICA
El sistema de depuración se enfrenta ante tres problemas esenciales:
La presencia de efluentes industriales específicos de las plantas de DSM-Deretil. En los vertidos industriales toma especial relevancia el tipo de contaminantes en cuanto a su biodegradabilidad.
La alta concentración salina de los efluentes, que hacen del sistema de depuración utilizado un sistema muy poco tradicional y único en el mundo.
La altas concentraciones de nitrógeno en las aguas residuales. Dentro de los llamados nutrientes biológicos (principalmente nitrógeno y fósforo) el nitrógeno es el de más difícil eliminación y el que plantea unos efectos más negativos sobre el medio ambiente.
3. SISTEMAS DE DEPURACIÓN
La depuración consiste en la eliminación de la contaminación e impurezas incorporables en el agua a tratar. Los procesos utilizables para depuración dependen del tipo de influente pudiéndose estructurar en tres grandes bloques atendiendo a su naturaleza: físicos, químicos y biológicos. Los tres se basan en la separación del agua residual en dos fases una de ellas que contendría el agua limpia ya tratada y otra de ellas que contendría sólidos sedimentables.
i) Métodos físicos:
Estos métodos se sirven de una fase líquida y de otra sólida que retiene los contaminantes. En este tipo de procesos se pueden retener sólidos mediante: filtrado por rejas más o menos gruesas, tamizado por mayas de diferentes grosores o utilizando una membrana selectiva y presión como en el caso de la ósmosis inversa. Otro tipo de métodos utilizan las diferentes densidades de los materiales del agua residual: retirada por flotación o, sedimentación cuando el contaminante pesa mucho más que el agua. En otros casos lo que se utiliza es la fuerza centrífuga ayudando a separar los materiales más pesados.
ii) Métodos químicos:
Se utilizan cuando los contaminantes son demasiado finos para poderlos cribar o incluso se encuentran disueltos. En general estos métodos se basan en la utilización de sales metálicas de elevada carga, normalmente de hierro, aluminio o silicio, que neutralizan las cargas de los contaminantes disueltos aglomerándolos en flóculos que precipitan separándose del agua limpia superficial. Otros métodos usados son los basados en resinas y torres de absorción que retienen los contaminantes dejando circular libremente el agua limpia.
iii) Métodos biológicos:
Es el procedimiento de mayor complejidad técnica y de comprensión pero que mayores eficacias proporciona al final de su proceso. Se basa en la eliminación de la materia orgánica y otros nutrientes como nitrógeno o fósforo presentes en las aguas como sólidos no sedimentables mediante la acción de microorganismos. Se busca en ellos una doble acción: la metabólica y la floculación de las partículas en suspensión.
Estos microorganismos sufren un proceso previo de selección que tiene por objeto su adaptación a los contaminantes específicos de las aguas residuales. Se adaptan al medio buscando una determinada concentración de oxígeno, un pH adecuado, una temperatura dentro de unos márgenes¼ con el fin de que se desarrollen correctamente. Los microorganismos se agrupan dando lugar a la formación de flóculos de mayor densidad que el agua por lo que precipitan, separando de esta forma el agua limpia de los microorganismos. Existen dos tipos de procesos biológicos:
a) Lechos bacterianos en los cuales los flóculos están adheridos al medio de fijación.
b) Fangos activos donde se encuentran en suspensión.
El grupo de investigación de DSM tras un análisis de los diferentes procesos de depuración decidió la realización de una planta depuradora con un proceso biológico de nitrificación-desnitrificación donde se eliminará no sólo la materia orgánica sino también los nutrientes de las aguas residuales a partir del diseño siguiente:
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4. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO
En la planta de tratamiento de las aguas residuales de DSM-Deretil, se puede eliminar tanto la DQO (Demanda Química de Oxígeno) como el nitrógeno. La DQO es un parámetro que representa todos los compuestos orgánicos que se pueden oxidar. La concentración de DQO es una medida de la cantidad total de oxígeno que es necesaria para la oxidación de todos estos componentes en una solución. La DQO es eliminada por oxidación, de manera que el oxígeno necesario para esta oxidación puede provenir del oxígeno o del nitrato.
La eliminación del nitrógeno de las aguas residuales es, comparada con la eliminación de DQO, un proceso complicado. El nitrógeno reducido (Kj-N) que se encuentra en forma de nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal, tiene que ser convertido a nitrato (nitrificación) antes de ser eliminado. El nitrato puede ser eliminado de las aguas residuales en una reacción con DQO (desnitrificación). Mediante este proceso de desnitrificación se forma nitrógeno N2 gas. Por lo tanto, para la eliminación del nitrógeno se necesita un proceso con dos etapas: una etapa aerobia y otra anaerobia (anóxica).
A continuación se muestran las reacciones que describen los procesos para el tratamiento biológico de las aguas residuales:
Oxidación de DQO:
DQO + O2 -------- CO2 + H2O + biomasa
Nitrificación del nitrógeno reducido:
NH4+ + 1,5 O2 -------- NO2- + H2O + 2 H+ + biomasa
NO2- + 0,5 O2 --------- NO3- + biomasa
Desnitrificación:
2 NO3- + DQO ------ N2 + H2O + 2 OH- + biomasa
Como se observa en estas reacciones, la DQO se utiliza tanto en la oxidación biológica con oxígeno como en la eliminación de nitrato. Cuando se elimina el nitrógeno. el oxígeno se utiliza en la oxidación del nitrógeno a nitrato. En la etapa de desnitrificación el oxígeno incorporado en el nitrato se utiliza para oxidar la DQO. En este sentido, el oxígeno es utilizado dos veces.
Además, en todos estos procesos se forma biomasa, que es un catalizador de la reacción. Esta biomasa, que se encuentra en forma de fangos, es necesaria para la reacción. El exceso de fangos debe ser eliminado del proceso y tratado.
5. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL PROCESO
Reactor de desnitrificación
En el reactor de desnitrificación, la DQO es eliminada usando el oxígeno del nitrato, el cuál es recirculado a partir de la nitrificación. Dado que la desnitrificación se lleva a cabo en un reactor anóxico, con agitación suave, las emisiones de este reactor son limitadas. Esto implica que la DQO, que normalmente provoca problemas de olor, es eliminada en este reactor antes de que se produzcan emisiones. La suspensión que sale del tanque de desnitrificación no contiene NO3--N. El nitrógeno orgánico reducido es convertido a amonio en este reactor. La cantidad de DQO que se reduce en este reactor depende de la cantidad de nitrato que es recirculado a partir del reactor de nitrificación.
Reactor de nitrificación
En la nitrificación el nitrógeno reducido (Kj-N) es oxidado a nitrato. Este NO3--N vuelve a la desnitrificación mediante la recirculación de nitrato. De esta manera, sólo una pequeña parte del NO3--N va al decantador. La cantidad de nitrato que va al decantador queda determinada por el factor de recirculación. La relación de recirculación está limitada alrededor de 10. Esto significa que en un sistema de este tipo se puede eliminar un máximo del 91% del nitrato formado.
En la nitrificación se adiciona oxígeno mediante burbujeo de aire. La concentración de oxígeno se regula entre 1-2 mg/l, si bien en la planta piloto es posible que sea algo superior para asegurar una buena homogeneización de los microorganismos. El oxígeno es necesario para la conversión, sin embargo, una alta concentración de oxígeno resulta demasiado cara.
Decantador
En el decantador se produce la separación de los fangos del agua la cual es descargada al mar. Los fangos son recirculados a la desnitrificación. El exceso de fangos, es decir, los fangos producidos durante la eliminación de Kj-N y DQO, son recogidos, secados y llevados a vertedero.
Regulación del pH
El pH del sistema se regula con hidróxido de calcio. Se elige hidróxido de calcio en lugar de NaOH debido al carbonato de calcio que se forma en los fangos por la adición de calcio. El carbonato de calcio tiene las siguientes ventajas:
- Mejora en las características de decantabilidad de los fangos.
- El carbonato de calcio en los fangos tiene una gran capacidad de tamponar, la cual es necesaria para la eliminación de nitrógeno (como se observa a partir de las reacciones, los procesos usan tanto ácido como base).
6. INVESTIGACIÓN REALIZADA
El proyecto de investigación y desarrollo del proceso se ha llevado a cabo entre investigadores y tecnólogos DSM Research , DSM Andeno y DSM Stamicarbon en Holanda y el Instituto de investigación DSM Deretil en España.
En primer lugar se identificaron las corrientes de cada una de las plantas existentes en la actualidad y se estimó el nivel de caudal y de contaminación de las nuevas plantas por construir.
Una segunda fase se ha focalizado en busqueda de mejoras sobre los procesos existentes para reducir aún más la contaminación de las aguas antes de su depuración y optimizar la relación entre la materia orgánica y el nitrógeno.
Debido a que el tratamiento se hace en presencia de altas concentraciones de cloruros, los cuales presentan interferencias con los parámetros analizados en el control de depuración, se han optimizado los diferentes métodos analíticos.
A continuación realizó un estudio sobre el mejor método de eliminación de contaminantes. Se procedió al estudio de la viabilidad de diferentes fangos de depuradoras aislando incluso bacterias marinas para la degradación del influente e incluyendo la identificación de algunos tipos de cepas bacterianas presentes.
Como resultado de estos estudios, se ha podido comprobar que es posible la adaptación de fangos de depuradoras de baja concentración salina a trabajar en medios altamente salinos, siguiendo un determinado proceso de incremento gradual.
El proceso elegido se basa en un sistema de nitrificación-desnitrificación anteriormente explicado.
Posteriormente se han realizado una serie de experimentos destinados por una parte a la mejora de los resultados obtenidos, fijando diferentes aspectos esenciales en la depuración como la carga de contaminación, el pH de trabajo, el efecto de la temperatura, etc. Por otro lado se han realizados estudios para determinar la estabilidad a lo largo del tiempo asegurando una depuración constante.
Lo más novedoso del proceso estriba en que el tratamiento se lleva a cabo en presencia de altas concentraciones de cloruros. Dado que los fangos usados para el tratamiento trabajan en ausencia de cloruros su adaptación no solo incluye la adaptación a un nuevo influente sino que previamente se debe de realizar una adaptación a este nivel de salinidad antes de su total desarrollo y completa eficacia, la presencia de esta cantidad de sales puede provocar un "choque osmótico", es decir, el agua contenida en el interior de la célula tiende a diluir el medio exterior por la diferencia de concentraciones y la célula muere.
El cambio de escala de laboratorio a planta piloto supone estudio extenso del diseño de la futura depuradora y un cambio esencial para la observación de los problemas que pueden surgir en el futuro y sobre todo la forma de evitarlos, así como un acercamiento mayor a los rendimientos y conclusiones que podrá tener la depuradora a escala industrial.
La puesta en marcha de la depuradora supone un estudio extenso para la detección de las condiciones de trabajo óptimas para que la planta de depuración alcance lo más rápidamente posible las condiciones de diseño.
En la actualidad se están estudiando los últimos detalles a escala de laboratorio y a escala de planta piloto, ya que en estos momentos se desarrolla la obra civil de la planta depuradora.
La construcción de la planta industrial depuradora, ha sido encomendada a la compañía Técnica Reunidas, que es una de las Ingenierías de más prestigio a nivel Mundial, con una amplia experiencia en plantas de depuración biológicas.
El proyecto supone una inversión que supera los 2.000 millones de pesetas.