ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO DEL EFLUENTE DE UNA INDUSTRIA PAPELERA

Guerrero Saldes, Lorna; Salazar Tapia, Felipe; Barahona Lloré, Andrea

Universidad Técnica Federico Santa María, Avda. España 1680, Valparaíso, Chile

Lorna.guerrero@usm.cl;

Abstract

felipe.salazart@usm.cl; andrea.barahona@usm.cl

The increasingly restrictive standards for emission and disposal of industrial waste water made it necessary to study, for a paper company, the most suitable unit operation for the reduction of organic and ammoniacal nitrogen (TKN, Total Kjeldahl Nitrogen), given that its treatment plant only abates suspended solids and organic matter, failing to comply with current regulations regarding TKN. Aerobic biological and physical-chemical processes such as air stripping, zeolite adsorption and reverse osmosis were studied in three effluents: raw, floated and treated with coagulants, flocculants and flotation. The best results were obtained, for the three effluents studied, with the aerobic process (heterotrophic and nitrification). For the treated effluent, good results were also obtained with the reverse osmosis system. In all of these treatments, that started with a TKN concentration of 250 mg/L, the final concentration was <62.5 mg/L, and current regulations in Chile require less than 75 mg/L.

Palabras claves: Nitrificación; Nitrógeno Amoniacal; NKT.

1. INTRODUCCIÓN

Las cada vez mas restrictivas normas de emisión y disposición de residuos industriales líquidos (RILes), hace necesario ir adecuando las plantas de tratamiento, a través de la optimización de sus operaciones unitarias, o bien, agregando aquellas que son necesarias para abatir los nuevos contaminantes controlados.

En el caso de este trabajo, se tuvo que estudiar la operación unitaria más adecuada para la reducción de nitrógeno orgánico y amoniacal (NKT, Nitrógeno Kjeldahl Total) dado que la planta de tratamiento de RILes existente sólo abate sólidos suspendidos y materia orgánica, incumpliendo la normativa vigente respecto al NKT

Para lo anterior se realizaron estudios de tratabilidad a nivel laboratorio y piloto, los que son necesarios para buscar aquella operación unitaria con la mejor relación costo/beneficio (Ahn, 2006; Gupta etal., 2015).

2. OBJETIVOS

Realizar ensayos de tratabilidad en RILes de una papelera, que permitan la reducción de NKT, formado por N orgánico y amoniacal: adsorción sobre zeolita, desorción (air stripping), ósmosis inversa y ensayos biológicos aerobios.

3. METODOLOGÍA

La planta de tratamiento (PTR) con que cuenta la empresa papelera consta de un equipo de flotación por aire disuelto (DAF), a cuyo RIL se le agregan previamente coagulantes y floculantes. Por lo anterior se analiza:

Reemplazar la actual PTR (o dejar sólo el DAF, sin agregar reactivos químicos) para tratar los contaminantes materia orgánica (DBO, DQO) y NKT en forma conjunta, a través de un tratamiento biológico aerobio con nitrificación.

Mantener la PTR y adicionar a su efluente actual, algunas de las siguientes operaciones unitarias: proceso biológico aerobio con nitrificación; adsorción en zeolita; desorción u ósmosis inversa. Por lo tanto, se hacen los estudios de tratabilidad en tres RILes: i) RIL crudo: proceso aerobio convencional con nitrificación ii) RIL flotado (en DAF, sin coagulantes ni floculantes): proceso aerobio convencional con nitrificación. iii) RIL tratado (efluente de la PTR): además del proceso biológico ya mencionado, se estudió: desorción, adsorción en zeolita y ósmosis inversa

El proceso biológico estudiado no es un sistema convencional aerobio, si no uno donde ocurre primero la degradación de la materia orgánica (y se consume parte del N orgánico, transformándose en N amoniacal, en una relación C/N = 20/1) y luego, cuando la relación C/N < 5, comienza la nitrificación, que transforma el N amoniacal en nitrato

Las características de los RILes estudiados se indican en la Tabla 1. Cabe destacar que la normativa chilena vigente exige máximo 75 mg/L de NKT (D.S. 90, 2001).

Los ensayos de tratabilidad biológicos aerobios se realizaron en reactores en discontinuo, de 1.0 L de volumen de operación. Fueron inoculados una concentración de 1.5 g/L de microorganismos, medidos como SSV (sólidos suspendidos volátiles). Las pruebas se hicieron en triplicado y cada 2 días se midió la variación de la concentración de: amonio, nitrato, NKT, DQO total y soluble y SSV Además, se controló el pH diariamente (Guerrero y Barahona, 2016).

Tabla 1. Características de los RILes estudiados

al RIL crudo, las concentraciones finales de los parámetros que están en la normativa y que fueron estudiados, permiten indicar que estarían todos cumpliendo:

• DBO5: Para este RIL, la relación DBO/DQO = 0.58. Considerando que se reduce un 95% de la DQO, la concentración final de este parámetro sería app. 240 mg/L y la DBO5, de 140 mg/L, valor por debajo de la norma (300 mg/L).

• Sólidos Suspendidos (SS): Si se considera que la reducción de SS es de un 90%, en el RIL tratado se tendrá una concentración de SS < 120 mg/L, valor que también está por debajo de los 300 mg/L que exige la norma.

• NKT: Considerando que se redujo este parámetro en un 84%, la concentración final de NKT en RIL con este tratamiento sería < 40 mg/L.

El proceso de desorción tiene como objetivo la reducción del nitrógeno amoniacal, y éste es más eficiente mientras mayor sea el pH, por lo que las pruebas se hicieron a pH 11 y al pH original que tiene el RIL (8.7). Se realizó en una columna rellena de anillos rashig, de 1 L de capacidad, a la cual se le hizo pasar una corriente de aire (4 L/min), midiéndose la concentración de nitrógeno amoniacal cada hora, hasta un valor final constante. A la muestra final, también se le determina el NKT (Guštin y Marinšek-Logar, 2011).

El mecanismo de adsorción sobre zeolita de compuestos nitrogenados es el intercambio iónico, por lo que el compuesto adsorbido en este caso, es el nitrógeno amoniacal (intercambio catiónico). El ensayo se realizó en una columna de 1 L de capacidad, operándose de manera semicontinua con el fluido móvil y el sólido estacionario (Treybal, 1988), midiéndose la concentración de nitrógeno amoniacal hasta un valor final constante A la muestra final, también se le determina el NKT y la DQO.

El ensayo de ósmosis inversa se hizo en una planta piloto con capacidad de 2 L/h, la cual incluye pretratamiento: se pasa el RIL por un filtro de arena y otro de carbón activado y dos columnas de intercambio iónico.

Todos los análisis a los RILes se hicieron según el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998)

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos en el tratamiento biológico, para el RIL crudo y el RIL flotado se muestran en la Tabla 2.

Sin embargo todo lo anterior, hay que considerar que se hizo una campaña de muestreo anteriormente y la relación promedio DBO/DQO fue de 0,40, indicativo de menor biodegradabilidad. Es decir, la materia orgánica no siempre tendrá el mismo porcentaje de degradación (será < al 95% obtenido). Con esto, también se eliminaría una menor proporción del N orgánico.

Otras consideraciones respecto al proceso son:

- Los tres principales macronutrientes del sistema aerobio heterótrofo son el carbono (proveniente en este caso de la materia orgánica), el nitrógeno y el fósforo, los cuales son consumidos en una relación C/N/P = 100/5/1. En el sistema nitrificante, esta relación es similar, solo que el carbono que se ocupa para el crecimiento microbiano, es inorgánico. En el caso de este RIL, fue necesario agregar fósforo.

- Por otro lado, el proceso de nitrificación produce protones, lo que tiende a acidificar el RIL. Por este motivo, es necesario agregar un tampón. Este punto y lo del párrafo anterior, se debe tener en cuenta para operar un sistema aerobio combinado (heterótrofo + nitrificante).

De aplicarse un tratamiento aerobio al RIL crudo aplicándole solo el proceso de flotación con aire disuelto (DAF), pero sin agregar reactivos químicos (sin coagulación-floculación), las concentraciones finales de los parámetros que están en la normativa y que fueron estudiados, permiten indicar que estarían todos cumpliendo (ver Tabla 2):

• DBO5: La relación DBO/DQO es 0.58 para este RIL Considerando que se reduce un 95% de la DQO, la concentración final de este parámetro sería app. 210 mg/L y la DBO5, de 122 mg/L, valor < 300 mg/L de la norma

• SS: Si se considera que la reducción de SS es de un 80%, en el RIL tratado se tendrá una concentración de SS < 75 mg/L, valor que también < 300 mg/L que exige la norma.

• NKT: Considerando que se redujo este parámetro en un 80%, la concentración final de NKT en RIL con este tratamiento sería < 50 mg/L. En este caso cabe destacar que se redujo menos NKT que en el caso anterior, y eso es porque el RIL crudo sin filtrar tiene más materia orgánica, y por ende, los microorganismos heterótrofos consumen más nitrógeno orgánico.

Las consideraciones indicadas para el RIL crudo, también son aplicables a este RIL flotado.

De aplicarse un proceso aerobio (heterótrofo + nitrificante)

Los resultados obtenidos para el RIL tratado, aplicando un tratamiento combinado aerobio (heterótrofo + nitrificación) son mostrados en la Tabla 3.

Tabla 3. Resultados obtenidos en el ensayo biológico para el RIL tratado (efluente de la PTR).

En este caso, cabe explicar que dada la baja concentración de materia orgánica, el proceso preponderante es la nitrificación, lo que origina una menor eficiencia de remoción de NKT

De aplicarse este tratamiento, las concentraciones finales de los parámetros que están en la normativa y que fueron estudiados, permiten indicar que estarían todos cumpliendo:

• DBO5: Para este RIL, la relación DBO/DQO = 0,58. Considerando que se reduce un 80% de la DQO, la concentración final de este parámetro sería app. 81 mg/L y la DBO5, de 47 mg/L, valor por debajo de la norma (300 mg/L).

• SS: Los sólidos suspendidos en este RIL son bajos (10 mg/L), por ende no es necesario analizarlos.

• NKT: Considerando que se redujo este parámetro en un 78%, la concentración final de NKT en RIL con este tratamiento sería de app. 40 mg/L.

En cuanto a los resultados obtenidos en los procesos físicoquímicos estudiados para este RIL tratado (con excepción de la ósmosis inversa), se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados obtenidos en los ensayos físicoquímicos para el RIL tratado (efluente de la PTR).

Tabla 5. Eficiencias de remoción obtenidas en el proceso de ósmosis inversa para el RIL tratado.

Como se puede ver en la tabla anterior, las eficiencias de remoción permiten asegurar que el RIL siempre va a cumplir la norma. Se destaca que en campaña de muestreo realizada antes de estos estudios, la concentración más alta de NKT encontrada fue de 240 mg/L, y eliminando el 80%, se tendrá un RIL con menos de 50 mg/L, y como ya se mencionó, la norma exige < 75 mg/L. Sin embargo lo anterior, el volumen de rechazo de este sistema fue de alrededor de un 60%, lo que se debe tener en cuenta, ya que significa costos de tratamiento y/o disposición de este residuo que se genera en el proceso.

En la Tabla 6 se muestra un resumen de los mejores resultados obtenidos, en los cuales se basa las propuestas realizadas para implementar un sistema que reduzca el NKT bajo los valores indicados en la normativa vigente (75 mg/L, Tabla 3 del Decreto Supremo 90) (D. S. 90, 2001).

Tabla 6. Resumen de los mejores resultados obtenidos para cada RIL estudiado.

En general, todos los procesos logran eliminar NKT (> 70%). Estos tratamientos tienen como finalidad la reducción de nitrógeno amoniacal, pero como se puede observar en la caracterización de este RIL (ver Tabla 1), este compuesto nitrogenado es mayoritario en el NKT, con lo que se obtiene un buen porcentaje de reducción de este parámetro. Sin embargo, se logran mayores reducciones con los sistemas biológicos, los que permiten una mayor seguridad del cumplimiento de la normativa.

En cuanto a los resultados del proceso de ósmosis inversa, éstos se muestran en la Tabla 5. El sistema de ósmosis incluye pretratamiento: se pasa el RIL por un filtro de arena, otro de carbón activado y dos columnas de intercambio iónico.

Estos cuatro procesos son los que serían las alternativas propuestas para la reducción del NKT, a las cuales la empresa papelera les debe realizar un análisis económico y medioambiental, para optar por alguna.

En base a los resultados de los ensayos de tratabilidad, se hace una propuesta con distintas alternativas para la eliminación del NKT de los RILes de la empresa papelera, alternativas que también reducen materia orgánica (DBO5, DQO) y SS. Éstas son: i) Aplicar al RIL crudo un sistema biológico aerobio que elimine la materia orgánica y nitrifique (Figura 1). ii) Ídem anterior, pero aplicado al RIL crudo previamente flotado (con el DAF). Esta última operación, se debe realizar sin coagulantes ni floculantes (Figura 2). iii) Aplicar al efluente de la PTR un sistema biológico aerobio que elimine la materia orgánica y nitrifique balances de masa para el NKT, DBO5 y SS, se muestra en la Figura 2.

(Figura 3). También para este RIL se propone la aplicación de un sistema de ósmosis inversa (Figura 4). Para realizar los balances de materia, se considerará las peores condiciones de los RILes, es decir se tomará en cuenta, dentro de los datos históricos, las mayores concentraciones, especialmente lo que se refiere al NKT. Estas características se muestran en la Tabla 7. En el caso de la DBO5, se calcula con una relación DBO/DQO = 0 6.

En el caso del RIL crudo, la PTR con que actualmente cuenta la empresa papelera no se ocupa. Lo que podría utilizarse es el DAF en reemplazo del decantador secundario en un sistema de lodos activados, lo que mejora su eficiencia, pero tiene un mayor costo de operación. La propuesta, con los balances de masa para el NKT, DBO5 y SS, se muestra en la Figura 1.

Para el caso del último RIL estudiado, éste es tratado en la actual PTR (proceso DAF con uso previo de coagulantes y floculantes) y su efluente sometido un tratamiento biológico aerobio. El sistema de separación de SS puede ser el convencional decantador secundario, aunque con el DAF se obtiene mejor operación, por lo que es recomendable su uso. La propuesta, con los balances de masa para el NKT, DBO5 y SS, se muestra en la Figura 3.

Para el RIL crudo flotado, éste es sometido al sistema con aire disuelto (DAF) con que cuenta la actual PTR, pero sin aplicar coagulantes ni floculantes. Igual al caso anterior, se propone que el sistema biológico aerobio tenga un sistema de aire disuelto en vez de un decantador secundario para la separación de los sólidos suspendidos. La propuesta, con los

También para este último RIL se propone el proceso de ósmosis inversa, la cual asegura el cumplimiento de la normativa. En este caso, se debe tener claro que, dependiendo de las características del RIL, éste debe ser sometido a un pretratamiento que elimine al máximo los sólidos suspendidos y la materia orgánica. La propuesta, con los balances de masa para el NKT, DBO5 y SS, se muestra en la Figura 4.

5. CONCLUSIONES

Se realizaron ensayos de tratabilidad a tres RILes: i) RIL crudo: proceso aerobio (heterótrofo + nitrificación) ii) RIL flotado: ídem anterior. iii) RIL tratado (efluente de la PTR): además del proceso biológico ya mencionado, se estudió: desorción, adsorción en zeolita y ósmosis inversa.

En base a los resultados, se hace una propuesta con distintas alternativas para la eliminación del NKT de los RILes estudiados, considerando que en todos éstos se cumple con la normativa vigente:

• Aplicar al RIL crudo un sistema biológico aerobio que elimine la materia orgánica y nitrifique.

• Ídem anterior, pero aplicado al RIL crudo previamente flotado (con el DAF). Esta última operación, se debe realizar sin coagulantes ni floculantes.

• Aplicar al efluente de la PTR un sistema biológico aerobio que elimine la materia orgánica y nitrifique.

• Para el RIL anterior, se propone también la aplicación de un sistema de ósmosis inversa.

La elección de la mejor alternativa dentro de estas cuatro mencionadas, dependerá de la que tenga mejor relación costo/beneficio, y de las consideraciones ambientales que tenga la empresa.

Otras aspectos a tomar en cuenta son:

• La remoción de NKT que se logra con el tratamiento biológico es mayor cuando se trata el RIL crudo (flotado o no), comparado con el RIL que es efluente de la PTR, dado que al haber más materia orgánica, el proceso aerobio es más eficiente, ya que en la parte heterótrofa (donde se consume materia orgánica), buena parte del nitrógeno orgánico es transformado en nitrógeno amoniacal. Posteriormente este nitrógeno amoniacal es transformado en nitrato.

• Con la ósmosis inversa se logra concentraciones finales de NKT similares al tratamiento biológico. Sin embargo, este proceso necesita de un pretratamiento con filtros de carbón activado e intercambiadores iónicos que, sumado al gran volumen de rechazo (60%), hace que sea un proceso complejo (los filtros de carbón y los intercambiadores iónicos necesitan regenerarse cada cierto tiempo) y de alto costo de operación (también de inversión).

• En el proceso biológico, lo que se genera como residuo son los microorganismos que crecen a expensas de la materia orgánica y del nitrógeno, y su tratamiento y disposición es un proceso conocido y relativamente de menor costo que el caso del proceso con membranas.

Agradecimientos: Proyecto realizado gracias a la colaboración de la empresa papelera y los conocimientos logradosenelProyectoFondecyt1201258.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ahn, Y.-H. (2006). Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: a review. Process Biochem. 41: 1709-1721.

D. S. 90 (2001). Decreto Supremo 90/2001, Tabla 3. https://portal.sma.gob.cl (accessed 22 January 2022).

Guerrero, L. y Barahona, A. (2016). Guía de Laboratorio RILes: "Ensayo de Biodegradabilidad Aerobia". Curso “Tratamiento de RILes” Depto. de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile.

Gupta, V., Sadegh, H., Yari, M., Shahryari Ghoshekandi, R., Maazinejad, B., Chahardori, M., (2015). Removal of ammonium ions from wastewater: a short review in development of efficient methods. Glob. J. Environ. Sci. Manag. 1, 149–158.

Guštin, S., Marinšek-Logar, R., (2011). Effect of pH, temperature and air flow rate on the continuous ammonia stripping of the anaerobic digestion effluent. Process. Saf. Environ. Prot. 89, 61–66.

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1998). 20th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC, USA.

Treybal, R. (1988). Operaciones de Transferencia de Masa. Naucalpan: McGraw Hill. 2d edn