Ttulo: El secado por aspersin. Una alternativa para el tratamiento de los

concentrados procedentes de planta de smosis inversa.

Autor: Joaqun Reina Hernndez. Dto. Tcnico.

Energy & Waste Technologies.

Antecedentes. Uno de los residuos generados por las plantas de smosis inversa en el tratamiento de los lixiviados es el concentrado. Las vas actuales de gestin de este concentrado se pueden dividir en:

Concentracin por evaporacin. Inertizacin, previa concentracin.

Estas dos vas son las tecnologas que ms aplicacin poseen hoy en da para el tratamiento de este residuo. Estas tcnicas, adems de poseer baja eficiencia y de generar diferentes tipos de residuos son complejas y necesitan ms de una operacin para tratar un nico residuo. Todo ello constituye una problemtica actual para las empresas que tienen que tratar sus aguas residuales.

Tal situacin motiva el estudio e investigacin del secado por aspersin como tcnica de tratamiento de dicho efluente, encontrando que esta tecnologa posee mayor eficacia energtica y menores emisiones que las operaciones actualmente aplicadas. Adems permite dar una solucin medioambiental y econmica a dicho concentrado pues es factible aprovechar fuentes de calor residual como: gases de escape de los motores de generacin elctrica, gases de combustin o el biogs para garantizar el contenido energtico en el desarrollo de la operacin.

Introduccin.

Uno de los aspectos ms engorrosos en la gestin integral de un vertedero de residuos slidos urbanos o en una instalacin de tratamiento de los mismos es el lixiviado. Este lquido procede principalmente de la degradacin de la materia orgnica, a la que se suman otros lquidos presentes en los residuos: aguas de lluvias, humedad contenida en el slido, etc.

Su aspecto es de color oscuro, olor fuerte y penetrante, fluido y, en zonas de acumulacin y/o estancamiento presenta una capa superficial de varios centmetros de espuma.

La composicin media de estos lquidos vara considerablemente segn reas geogrficas, edad del vertedero y tipo de residuo depositado en el mismo pero todos coinciden en una alta carga orgnica (DQO y DBO5), su principal factor contaminante.

Los parmetros bsicos de caracterizacin de un lixiviado sern, adems de los dos citados, la concentracin de slidos disueltos y en suspensin, la dureza, la concentracin en fosfatos y nitratos, etc. La tabla 1 muestra las caractersticas bsicas de un lixiviado procedente de vertedero.

Existen varios mtodos para el tratamiento de estos lquidos, entre los que se pueden citar:

Tratamientos biolgicos (anaerbicos o aerobios). Tratamientos fisicoqumicos (adsorcin con carbn activo, procesos de

membranas, etc.). Tratamiento trmico (evaporacin).

Finalidad del proyecto.

La tecnologa objeto de desarrollo y aplicacin es la operacin de secado por aspersin (spray drying) como tcnica de tratamiento de los concentrados procedentes de planta de smosis inversa. Para la misma se diseo y construy una planta con una capacidad de tratamiento de hasta 40 lit/h. Su desarrollo pretende minimizar los costes de tratamiento del concentrado, evitar las emisiones a la atmsfera, reducir a un mnimo los residuos generados con las actuales tecnologas e introducir en el mercado del tratamiento de aguas residuales una nueva tcnica de minimizacin y/o valorizacin de las mismas.

Desarrollo.

1.- Tratamientos fisicoqumicos (procesos de membranas).

Dentro de los numerosos procesos de membranas que actualmente estn en el mercado para ser aplicado a nivel industrial, los procesos de separacin por gradiente de presin son sin lugar a dudas los que mayor aplicacin y desarrollo han adquirido. Este modo de separacin se ha dividido en tres grandes grupos: microfiltracin, ultrafiltracin y smosis inversa. Actualmente se ha incorporado un nuevo proceso, la nanofiltracin, con una capacidad de separacin intermedia entre la ultrafiltracin y la smosis inversa.

Independientemente del proceso de membrana aplicado en el tratamiento de aguas residuales se obtendrn dos fracciones: una limpia, el permeado y otra sucia, el rechazo, dnde se concentran todas las impurezas del agua tratada. Este rechazo o concentrado posee, por tanto, un mayor impacto ambiental que el agua que le dio origen; por ello, debe ser tratado con la finalidad de minimizar su volumen o de revalorizar subproductos contenidos en l.

Tabla 1. Caractersticas bsicas de los lixiviados.

CARACTERSTICAS DE LOS LIXIVIADOS DE UN VERTEDERO Parmetros Concentracin (mg/l)

DBO 40-89.5 DQO 81-33.36 pH 3.7-8.5 Slidos Disueltos 584-44.9 Slidos en suspensin 10-700 Alcalinidad (CaCO3) 240-20.5 Dureza (CaCO3) 540-22.8 Fsforo Total 0-130 NH3-N 0-1106 NO2 + NO3 - N 0-10.3

2.- Tecnologas para el tratamiento del concentrado procedentes de procesos de membranas.

Las tecnologas actuales para el tratamiento del concentrado implican operaciones y

procesos como:

Concentracin por evaporacin: en evaporadores de simple o mltiple efecto tanto a presin atmosfrica como a vaco.

Inertizacin, previa concentracin usando una mezcla de cal viva, arena y cemento en algunos casos. El producto de este proceso es un residuo slido (inertizado) que es enviado a vertederos para ser ubicado en celdas especiales.

Poco estudiada e introducida dentro del sector del tratamiento de aguas residuales se encuentra el secado por aspersin, tecnologa que presta innumerables ventajas respectos a otras tcnicas de tratamiento como la evaporacin y/o la inertizacin.

A diferencia de las industrias en las que se aplica esta tecnologa (industrias farmacuticas, alimentaria y en la fabricacin de detergentes) dnde el agente de calentamiento debe de ser aire limpio o nitrgeno, en el tratamiento de aguas residuales (concentrados) no se requieren estos tipos de atmsferas y puede ser utilizado directamente gases de escape de motores de generacin o gases de combustin mezclado con aire, o cualquier otro portador energtico que garantice los requerimientos trmicos de la operacin.

Esta opcin hace ms atractiva esta tecnologa tanto desde el punto de vista tcnico como econmico debido a que:

Hace viable el uso del contenido energtico de gases de escape, aire caliente o vapor residual ahorrando coste de equipo y mantenimiento.

Permite tratar dos tipos de efluentes (concentrado y gases de escape). Garantiza un mejor cuidado del medioambiente, pues reduce tanto las

emisiones como la temperatura de stos. Tecnologa ms sencilla y de menos coste de operacin.

3.- Secado por aspersin

3.1.- Descripcin de las operaciones.

La figura 1 representa un diagrama de flujo de las operaciones que se requieren para el secado trmico del concentrado. Como se puede observar las operaciones a realizar en dicha planta estn relacionadas bsicamente con el transporte de fluido, la transferencia de calor y masa. Debido a que el tiempo de residencia es pequeo no se considera que exista descomposicin trmica de la materia orgnica presente y, por tanto, en la fase gaseosa no estn presentes compuestos considerados como peligrosos.

Figura 1. Descripcin de las operaciones bsicas para el secado por aspersin.

Los gases calientes entran al secador tangencialmente calentando el equipo hasta alcanzar la temperatura de trabajo (120 C). Luego de haber alcanzado dicha condicin se inicia la inyeccin del concentrado procedente de la planta de smosis inversa a la tobera de aspersin dividiendo en finas gotas el concentrado.

Estas pequeas gotas se ponen en contacto con los gases calientes producindose la evaporacin del agua y, por tanto, la separacin de sta de la parte slida contenida en el lquido formndose un flujo bifsico constituido por dos fases una gaseosa (vapor) y otra slida.

El flujo bifsico procedente del secador pasa a un cicln dnde se separan las partculas slidas (grueso) del flujo de gas, recolectndose stas en un recipiente para su futura manipulacin. El gas procedente del cicln pasa al filtro de mangas dnde se le eliminan las partculas que no han sido separadas en el cicln (finos). La corriente gaseosa sin partculas (vapor de agua bsicamente) y los gases que acompaan a ste son acondicionados para su vertido a la atmsfera.

Gases calientes

Secado aspersin

Cicln Filtro de Manga

Gases a la Atmsfera

Fino

Concentrado

Grueso

Slido seco

Aire

3.2.- Caractersticas bsicas de la planta de secado por aspersin construida.

Principales componentes.

Cmara de secado. Sistema de calentamiento. Cicln. Sistema de control. Aspersor: tobera de cono hueco de un slo fluido. Bomba peristltica. Soplante.

Beneficios.

Especialmente diseados para productos sensibles al calor. Sistema de recoleccin de partculas (cicln y/o filtro de mangas) segn

necesidades del producto. Uno o dos puntos de extraccin del producto. Sistema de control centralizado y sencillo. Tobera de cono hueco de un slo fluido. Bajo consumo elctrico. Coste de tratamiento: 5 a 30 /m3

Caractersticas.

Operacin automtica. Diseo bajo requerimiento del cliente. Construccin en acero inoxidable. Unidad compacta. Mnima inversin en obra civil.

Figura 2. Planta de secado por aspersin construida para los ensayos. Vista frontal.

Figura 3. Planta de secado por aspersin construida para los ensayos. Vista lateral.

Figura 4. Sistema de recoleccin de partcula.

Figura 5. Boquillas utilizadas en los ensayos. Boquillas de cono hueco.

Figura 6. Productos obtenidos en forma de polvo. A.- concentrado procedente de aguas industriales. B.- concentrado procedente de lixiviado de vertedero.

3.3.- Resultados.

Luego de ser diseada, construida, montada y puesta a punto la planta de secado por aspersin se iniciaron las pruebas correspondientes. Para ello, inicialmente se realizaron pruebas con la planta piloto de smosis inversa con la finalidad de obtener concentrados de diferentes tipos de aguas residuales industriales y lixiviado procedente de vertederos de residuos urbanos. Las pruebas tuvieron una duracin de cuatro horas, tiempo suficiente para valorar tanto la estabilidad de operacin como las caractersticas del producto resultante. En los ensayos realizados se probaron diferentes condiciones de operacin (flujo de concentrado, temperatura de operacin y caudal de gases de calefaccin). Tambin se probaron diferentes toberas de aspersin para determinar cales de ellas eran las ms factibles para el desarrollo de la operacin. Las pruebas aportaron los siguientes resultados: a).- Concentrado procedente de aguas industriales de la produccin de colorantes y pigmentos. Condiciones de operacin.

Flujo de concentrado: 40 lit/h Capacidad de evaporacin: 30 lit/h Caudal de aire: 200 kg/h Tiempo de residencia: 7 seg Tiempo de operacin: 4 h Condiciones ambientales: temperatura 12 C HR = 56 % Temperaturas: Tent = 275 C, Tsal = 115 C

a b

Resultados.

Consumo de combustible: 11 lit. Potencia elctrica consumida 4 kW. Concentrado/combustible 14,54 lconc/lcom Slido generado/ combustible 0.13 Kgs/lcom Nivel de minimizacin del residuo 95 % Coste del tratamiento (combustible) 41,25 /m3 Coste del tratamiento (elctrico) 1,75 /m3

b).- Concentrado procedente de lixiviados de vertedero de residuos urbanos. Tabla 2. Analtica realizada al concentrado utilizado en los ensayos.

Turbidez MES ST SV SET SEV Amonio Cloruros NTU (g/l) (g/l) (g/l) (g/l) (g/l) (mg/l) (mg/l) 4093 1.283 77.1 43.8 3.25 1.95 10.153 16661

Condiciones de operacin.

Flujo de concentrado: 40 lit/h Capacidad de evaporacin: 30 lit/h Caudal de aire: 200 kg/h Tiempo de residencia: 11 seg Consumo de combustible: 9 lit. Potencia elctrica consumida 4 kW. Tiempo de operacin: 4 h Condiciones ambientales: temperatura 15 C HR = 65 % Temperaturas: Tent = 300 C, Tsal = 105 C

Resultados.

Consumo de combustible: 9 lit. Potencia elctrica consumida 4 kW. Concentrado/combustible 17,77 lconc/lcom Slido generado/ combustible 0.2 Kgs/lcom Nivel de minimizacin del residuo 96,5 % Coste del tratamiento (combustible) 33,75 /m3 Coste del tratamiento (elctrico) 1,75 /m3

Conclusiones. Los resultados demuestran la viabilidad del secado por aspersin para el

tratamiento de los concentrados procedentes del tratamiento de aguas residuales. Los costes de operacin estn ntimamente ligados con:

1. La eficacia de separacin alcanzada en la smosis inversa, es decir, cantidad de agua contenida en el concentrado.

2. Con la fuente energtica utilizada: calor residual o combustible. Posibilita el uso de fuentes residuales de energa como gases de combustin,

motores de generacin, etc. En caso de concentrados procedentes de aguas residuales industriales, el

producto slido puede ser en algunos casos reutilizado en el proceso, mientras que los procedentes de aguas urbanas o lixiviados podran ser valorizados energticamente.

Bibliografa. Joaqun Reina. Spray drying for concentrated treatment. Proceeding. 9 Congreso Mediterrneo de Ingeniera Qumica. Noviembre 2002 Barcelona. Spain, Manual del Ingeniero Qumico. Perry. 6 Edicin. Mc. Graw Hill. Hand book of Industrial Drying. Arun S. Mujumdar. Spray dryers: A guide to Performance Evaluation. Publisched 1988. Engineers Guide to Spray Technology. Spraying Systems Co. David E. Oakley. Produce Uniform Particle by Spray Drying. Chemical Engineering

Progress. October 1997. F.A. Gluckert. Theorical Correlation of Spray-Dryer Performance. A.I.Ch.E.

September, 1962. Fred V. Shaw. Fresh options in Drying. Chemical Engineering. July 1994. www.ewtech-ing.com. Agradecimientos. Premotec.S.l. Por prestar sus instalaciones para el desarrollo del proyecto. CIDEM. Por la subvencin otorgada para la financiacin del proyecto.

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