Tratamiento Mixto de Aguas Residuales Domésticas y de Fabricación de Papel: Comparación Experimental de 4 Procesos

Tomemos como ejemplo un flujo de aguas residuales domésticas - predecible, biodegradable y fácil. Agregue aguas residuales de la fabricación de papel - con alto contenido de fibra de madera, compuestos fenólicos, residuos de blanqueamiento y color. Mézclalos en la misma planta de tratamiento y habrás creado un agua residual que esmás difícil de tratar que cualquiera de las corrientes solas. La fracción biodegradable disminuye. Los sólidos en suspensión cambian de carácter. Las incrustaciones de las membranas se multiplican. Este artículo informa resultados experimentales de cuatro enfoques de tratamiento aplicados a aguas residuales domésticas-de fabricación de papel: tratamiento biológico, precipitación química, separación por membranas y una combinación integrada. Sólo un enfoque logró una eliminación elevada y un coste manejable.

1. DOS CORRIENTES DE AGUAS RESIDUALES, DOS PROBLEMAS TOTALMENTE DIFERENTES

1.1 Alcantarillado doméstico - alto volumen, baja complejidad

Las aguas residuales domésticas transportan materia orgánica, nitrógeno, fósforo, sólidos suspendidos y microorganismos patógenos - todo en concentraciones que varían según la densidad de población, el estilo de vida y la estación. La mayor parte de la fracción orgánica es biodegradable. La DQO y la DBO son los objetivos principales del tratamiento. El nitrógeno aparece como amoníaco y nitrato; el fósforo impulsa el riesgo de eutrofización. Los sólidos en suspensión provienen de residuos de alimentos, polvo y detergentes. Nada en esta corriente es químicamente exótico - el desafío es el volumen, no la toxicidad.

1.2 Aguas residuales de la fabricación de papel - bajo volumen, alta complejidad

Las aguas residuales de la fabricación de papel son un animal diferente. Las fibras de pulpa de madera - materia prima no completamente descompuesta - crean altos niveles de sólidos en suspensión de carácter fibroso y obstructivo. Los residuos químicos de la fabricación de pulpa y el blanqueo - cloruros, agentes blanqueadores y tensioactivos - aumentan la DQO y, lo que es más crítico,inhibir los microorganismosque de otro modo los degradarían. El color, especialmente procedente del blanqueo con cloro, es intenso y resiste los tratamientos biológicos convencionales. Los compuestos fenólicos añaden toxicidad aguda. La corriente es más difícil de tratar pero de menor volumen -, lo que hace que el tratamiento mixto sea económicamente atractivo, si el proceso puede soportarlo.

1.3 Por qué mezclar lo hace más difícil

La combinación de las dos corrientes crea tres desafíos específicos que ninguna de ellas presenta por sí sola:

Desajuste de biodegradabilidad.Las aguas residuales domésticas son fácilmente biodegradables. Las aguas residuales de la fabricación de papel contienen compuestos orgánicos refractarios - fenólicos, ciertos residuos químicos - que resisten el ataque biológico. En un reactor biológico mixto, la fracción fácil se degrada rápidamente mientras que la fracción refractaria se acumula, lo que reduce la eficiencia general de eliminación.

Conflicto de separación sólido-líquido.Las fibras de pulpa de madera crean un lodo fibroso que se comporta de manera diferente al lodo floculento de las aguas residuales domésticas. Las características de sedimentación cambian. La deshidratación se vuelve impredecible. Los lodos mezclados son más difíciles de manejar que cualquiera de las fuentes por separado.

Se amplifica la fluctuación de la calidad del agua.Las aguas residuales domésticas varían diurna y estacionalmente. Las aguas residuales de la fabricación de papel son relativamente estables cuando la producción está en funcionamiento -, pero cambian abruptamente con los lotes de proceso, los lavados y los cambios de calidad. Cuando se mezcla, la corriente combinada puede variar en pH, amoníaco y DQO ​​más rápido de lo que puede adaptarse cualquier proceso de tratamiento individual.

2. CUATRO PROCESOS PROBADOS - RESULTADOS EXPERIMENTALES

Cada proceso se evaluó en un reactor-de flujo continuo utilizando muestras reales de aguas residuales domésticas y de fabricación de papel. Se monitorearon DQO, DBO, nitrógeno, fósforo y contaminantes específicos en diferentes tiempos de reacción, temperaturas y condiciones operativas.

2.1 El tratamiento biológico - funciona para uno, falla para el otro

Al cabo de 3 a 5 días de tiempo de retención, se elimina el tratamiento biológico.Más del 70 % de la DQO y la DBO proceden de aguas residuales domésticas.. Sólo en el caso de las aguas residuales de la fabricación de papel, la eliminación de DQO alcanzó sólo40–50%. Cuando se mezclaron las corrientes, la eliminación de DBO cayó a40–60%- muy por debajo del 80% logrado sólo con el tratamiento de aguas residuales domésticas.

El mecanismo es claro: las sustancias fenólicas y los residuos químicos en la fracción de fabricación de papel inhibieron la comunidad microbiana. Los microorganismos que consumían fácilmente la materia orgánica doméstica fueron parcialmente suprimidos por los productos químicos de la fabricación de papel, lo que redujo la capacidad general de biodegradación. El experimento confirmó lo que predice la teoría:El tratamiento biológico por sí solo no puede manejar la corriente mixta..

2.2 Precipitación química - fuerte sobre fósforo y metales, débil sobre tensioactivos

Usando cloruro de aluminio e hidróxido de calcio como precipitantes, eliminación de fósforo en las aguas residuales mixtas.superó el 85%. Se alcanzó la eliminación de plomo y cobremás del 80%- los metales pesados ​​de los procesos de fabricación de papel se precipitaron de manera eficiente. Sin embargo, ciertos tensioactivos de la fracción de fabricación de papel resistieron la precipitación y pasaron a través de ella prácticamente sin verse afectados.

La precipitación química es una herramienta específica: elimina lo que está diseñada para eliminar (fósforo, metales) y deja lo que no es (compuestos orgánicos disueltos, tensioactivos, color). Como proceso independiente para aguas residuales mixtas, aborda solo una parte de la carga contaminante. Pero como paso en un tren de tratamiento, maneja la fracción con la que la biología y las membranas luchan - un nicho valioso.

2.3 Separación de membrana - excelente eliminación, rápida incrustación

Se eliminó la ultrafiltraciónMás del 90% de los sólidos en suspensión y de la materia orgánica macromolecular.de las aguas residuales mixtas, con un flujo de membrana razonablemente alto. Pero las pequeñas-moléculas orgánicas - la fracción disuelta que la ultrafiltración no puede rechazar - pasaron y requirieron nanofiltración u ósmosis inversa aguas abajo.

El hallazgo crítico fue el comportamiento sucio. Las fibras de pulpa de madera y los pigmentos de las aguas residuales de la fabricación de papel formaron una densa capa de depósito en la superficie de la membrana, obstruyendo los poros y reduciendo la permeabilidad más rápidamente que lo que causarían las aguas residuales domésticas por sí solas. La capa de suciedad era físicamente diferente - fibrosa en lugar de gelatinosa - y requería diferentes protocolos de limpieza.El factor limitante para esta aplicación es el ensuciamiento de la membrana, no el rechazo de la misma.

2.4 Tratamiento integrado - la combinación que funciona

El proceso integrado secuenció tres etapas: primero el tratamiento biológico (para eliminar la mayor parte de los compuestos orgánicos biodegradables), segundo la precipitación química (para atacar el fósforo y los metales pesados) y, por último, la separación de membranas (para el pulido avanzado de sustancias disueltas y trazas de contaminantes).

Los resultados justificaron la complejidad:

Después de las etapas de precipitación biológica + química,La eliminación de DQO superó el 80% y la eliminación de fósforo superó el 90%. Luego, la etapa de membrana eliminó las sustancias residuales disueltas y los contaminantes traza. Fundamentalmente, al eliminar la carga orgánica y de partículas a granel antes de la membrana,la contaminación se redujo significativamente- los pasos previos-al tratamiento ganaron su costo al extender la vida útil de la membrana y reducir la frecuencia de limpieza.

3. OPTIMIZANDO CADA ETAPA

3.1 Tratamiento biológico - añadir los microbios adecuados

El lodo activado estándar lucha con los compuestos fenólicos. La optimización:bioaumentación con cepas degradantes especializadas- bacterias seleccionadas o diseñadas específicamente para la degradación fenólica. Junto con tiempos de retención ajustados (más cortos para la fracción doméstica, extendidos para la fracción de fabricación de papel), la etapa biológica se puede ajustar al perfil de biodegradabilidad real de la corriente mixta en lugar de una suposición de diseño genérica.

3.2 Precipitación química - cambio a cloruro férrico

Sustituyendo la cal tradicional porcloruro férricologra una eliminación equivalente de fósforo con un menor coste químico y produce un lodo más denso y deshidratable. Combinar la precipitación con la etapa biológica - permitir que la biología elimine parte de la carga orgánica antes de que la precipitación apunte al fósforo y los metales - reduce la demanda química que requeriría una etapa de precipitación independiente.

3.3 Separación de la membrana El tratamiento - pre-es la verdadera protección de la membrana

El costo dominante de la membrana no es la membrana en sí - sino el reemplazo y la limpieza impulsados ​​por la suciedad-. La optimización es previa: mejorar el pre-tratamiento para eliminar las partículas grandes (fibras de madera, sólidos en suspensión) antes de que lleguen a la superficie de la membrana. Los agentes de limpieza químicos más suaves y los métodos de limpieza física - retrolavado y fregado con aire - reducen el deterioro de la membrana en comparación con los ciclos agresivos de limpieza química-in-in situ.

3.4 Control integrado - deja que el sistema se adapte

Unsistema de control inteligenteque monitorea la calidad del agua en tiempo real y ajusta los parámetros operativos - intensidad de aireación, tasas de dosificación de químicos, frecuencia de retrolavado de membrana - de acuerdo con las condiciones reales del afluente, no con puntos de ajuste fijos. Cuando la fracción de fabricación de papel es alta, el sistema aumenta la precipitación química y extiende la retención biológica. Cuando predominan las aguas residuales domésticas, reducen las sustancias químicas y acortan la retención. El resultado: un tratamiento que rastrea los residuos reales, no la suposición del diseño.

EN FINALIDAD: ¿QUÉ PROCESO Y PARA QUÉ CONTAMINANTE?

La evidencia experimental es inequívoca: ningún proceso trata adecuadamente las aguas residuales domésticas-de fabricación de papel. El tratamiento biológico se ocupa de la fracción doméstica, pero es parcialmente inhibido por los productos químicos de la fabricación de papel. La precipitación química elimina el fósforo y los metales, pero no las sustancias orgánicas disueltas. Las membranas logran una alta eliminación pero se ensucian rápidamente en la fibra de madera.La secuencia integrada - biología primero, química después, membrana al final - logra más del 80 % de eliminación de DQO y más del 90 % de eliminación de fósforo, con una contaminación de la membrana manejable porque las etapas aguas arriba eliminan las incrustaciones.Para las plantas que reciben ambas corrientes, la cuestión no es si integrarlas, sino cómo secuenciar las etapas y con qué inteligencia controlarlas.