ES2387084B1 - Regeneración y depuración de aguas residuales y fertilizacion para el riego agricola - Google Patents

Regeneración y depuración de aguas residuales y fertilizacion para el riego agricola Download PDF

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Abstract

Regeneración y depuración de aguas residuales y fertilización para el riego agrícola, es una invención que consiste en una depuración de aguas residuales que contienen metales pesados mediante.#La introducción del agua residual en (1) el tanque de adición de amoniaco donde precipitan óxidos hidratados de Mg, Cr, Mn, Fe y Hg. (2) Filtro de precipitados de este paso. (3) Recuperación de precipitados del filtro anterior. (4) Filtro de limaduras de hierro, reducción metales Ni, Cu, Ar, Cd y Pb precipitando éstos. (5) Recogida de precipitados del filtro de limaduras de hierro. (6) Tanque de floculación, recuperación del amoniaco ?NH{sub,3}-. (7) Recirculación amoniaco ?NH{sub,3}- llevándolo al inicio del proceso. (8) Tanque neutralización, mediante adición hidróxido potásico -KOH-. (9) Acidificación mediante dióxido de carbono ?CO{sub,2}-. (10) Ozonizador. (11) Filtro diatomeas, quedando agua apta para riego. (12) Recuperación de precipitados, procedentes neutralización. (13) Recuperación precipitados formados tras la adición de dióxido de carbono ?CO{sub,2}-.

Description

REGENERACIÓN Y DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES Y FERTILIZACION PARA EL RIEGO AGRÍCOLA
La presente invención se refiere a la recuperación de agua residual para su utilización como agua fertilizada para el riego agrícola, disminución de las emisiones de dióxido de carbono -C02-. El sistema de depuración propuesto podría implantarse fácilmente en estaciones depuradoras de aguas residuales ya existentes, por lo que no haría falta la construcción de nuevas plantas de tratamiento para llevar a cabo el proceso.
El presente procedimiento debemos encuadrarlo dentro del sector económico y del medio ambiente ya que el desarrollo económico de los países donde pudiera implantarse el sistema que planteamos, se vería beneficiado por la aplicación del agua resultante al proceso de regadío, Además la reducción de emisiones de metano y dióxido de carbono supone también una mejora del medioambiente y protección de la salud pública, especialmente en aquellos países donde se consume agua directamente del recurso hídrico sin potabilización previa.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
El agua, como motor de desarrollo y fuente de riqueza, ha constituido uno de los pilares fundamentales para el progreso del hombre.
La ordenación y gestión de los recursos hídricos, que ha sido desde siempre un objetivo fundamental para cualquier sociedad, se ha realizado históricamente bajo directrices orientadas a satisfacer la demanda en cantidades
5 suficientes, bajo una perspectiva de política de oferta.
El incremento de la oferta de agua como herramienta para el impulso económico, el mayor nivel de contaminación asociado a un mayor nivel de desarrollo, algunas características naturales (sequías prolongadas,
10 inundaciones) y en definitiva una sobreexplotación de los recursos hídricos, han conducido a un deterioro importante de los mismos.
Esto ha hecho necesario un cambio en los planteamientos sobre política de aguas, que han tenido que evolucionar
15 desde una simple satisfacción en cantidad de las demandas, hacia una gestión que contempla la calidad del recurso y la protección del mismo como garantía de un abastecimiento futuro y de un desarrollo sostenible.
En el sector del agua, la expansión del conocimiento
20 científico y las aplicaciones tecnológicas están cambiando la manera de usar, depurar y reutilizar este recurso natural, para satisfacer las necesidades humanas, económicas y ambientales. Las industrias están invirtiendo en nuevas tecnologías y procesos que reduzcan el uso del agua y los

vertidos de aguas residuales. A nivel nacional, cabe destacar
que en nuestro país están vigentes alrededor de 70 proyectos subvencionados por el Plan Nacional de I+D, según el informe de vigilancia tecnológica quot;Tratamientos avanzados de aguas residuales industrialesquot;. Estos proyectos abarcan, desde distintas perspectivas, la investigación en el tratamiento de aguas residuales industriales. El citado informe destaca que el número de proyectos subvencionados ha ido aumentando progresivamente en los últimos dos años como reflejo de la importancia que ha adquirido el tratamiento y la reutilización de las aguas residuales. Sobre la base de la vinculación entre calidad de aguas y sus usos, se establecen estándares y criterios de calidad específicos que definen los requisitos que ha de reunir un determinado agua para un fin concreto, requisitos que, generalmente, vienen expresados como rangos cuantitativos de determinadas características fisicoquímicas y biológicas.

El presente procedimiento supone un avance en los sistemas de regeneración de aguas ya que se logran los estándares de demanda bioquímica de oxígeno en cinco días -080-, demanda química de oxígeno -DQO-y sólidos en suspensión -SS-aceptables para su vertido y para su utilización como agua de riego cumpliendo con la Directiva Marco europea del agua, que incide especialmente en la presencia de metales pesados en el agua y su posible toxicidad. Dichos metales son eliminados y recuperados.
Finalmente, el sistema no sólo no genera sino que consume dióxido de carbono -C02-, transformándolo en carbonatos, contribuyendo en alguna medida a la disminución del efecto invernadero.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El proceso en estudio no requiere de unos tratamientos primarios diferentes a los comúnmente utilizados hoy en día en cualquier depuradora: reja de gruesos, reja de finos, tamizado, desarenador y desengrasador como pre-tratamientos y una decantación como tratamiento primario. El procedimiento presentado es aplicable a cualquier tipo de agua residual, ya sea industrial o urbana.
A continuación se describe el proceso de depuración propuesto: Fase de adición de amoniaco -NH3-. El primer paso consiste en introducir el efluente en un tanque donde se adicionará el amoniaco -NH3-, reaccionando con el agua -H20-según la siguiente reacción: NH3 (g) + H20 (1) ~NH4 + (ac) + OH-(ac)
Debido al aumento del pH y la adición de amoniaco -NH3-, se consigue la precipitación de iones Magnesio -Mg, Cromo -Cr-, Manganeso -Mn-, Hierro -Fe-y Mercurio -Hg-presentes en las aguas. Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

Mg 2+ (ac) + 20H-(ac) ~Mg (OHh (s) ~
Cr3+ (ac) + 30H-(ac) ~Cr(OHh (s) i
Hg 2+ + 20H-(ac) ~HgO (s) i + H20
El manganeso, en su forma más estable Mn (11), que inicialmente precipitará al igual que los otros hidróxidos:
Mn 2+ (ac) + 20H (ac) ~Mn (OH)2 (s) i
Este hidróxido se oxida por el oxígeno disuelto en el agua para producir Mn(lll) y Mn(IV) que permanecen igualmente precipitados según las respectivas reacciones:
2 Mn (OH)2 (s) +% 02 ~Mn203 + H20 Mn (OH)2 (s) +% 02 ~Mn03H2 (s)
Las reacciones de los cationes de hierro -Fe-serían las siguientes.
Fe 2+ (ac) + 20H-(ac) ~Fe (OH) 2 (s) i Fe3++ 30H-(ac) + (n-1) H20 ~FeO (OH)*nH20 (s) i Fe3+ + 30H-~Fe (OHh
Como se observa en las reacciones anteriores, tanto el Fe2+ como el Fe3+ presentes en el agua residual precipitan en esta forma. Al mismo tiempo, la formación de ambos cationes, permitiría la ca-precipitación de aniones tales como el fosfato (P043-), debido al carácter floculante de los hidróxidos de hierro.
Reacción principal: Fe3++ H2P04 ~ FeP04 + 2H+ Reacción secundaria: Fe3+ + 3HC03~Fe (OHh + 3C02

La liberación de iones H+ y la precipitación de bicarbonatos reducirían el pH de la disolución.
Los óxidos hidratados del resto de los metales, en caso de
existir en aguas residuales urbanas o industriales no son lo
suficientemente insolubles como para precipitar, dadas sus
concentraciones usuales y el pH del medio. Quedarían en
s
disolución, junto con aniones, el resto de metales y materia
orgánica, el amoniaco y el ión amonio.
Cabe destacar que se prevé la eliminación de los
microorganismos, gérmenes y bacterias, que pudieran estar
presentes por el efecto biocida del amoniaco.
10
El efluente resultante tendrá una elevada concentración de
NH3, pero se habrán eliminado casi todo el magnesio, cromo,
manganeso, hierro y mercurio que pudiere llevar disuelto.
En la segunda fase se procede a un filtrado para eliminar el
precipitado, y el efluente pasa a través de un filtro de
15
limaduras de hierro -Fe-. Esta etapa es particularmente útil
en el caso de que haya que depurar aguas residuales
urbanas. El filtro de hierro consistirá en un lecho de
limaduras de hierro por el que pasará el efluente tratado con
el fin de retener los metales pesados en disolución. Este filtro
20
retendrá todos los metales cuyo potencial de reducción esté
por debajo del correspondiente a la reducción de Fe2 + a
hierro metal. Los metales quedarán adheridos al filtro como
metales neutros, al tiempo que liberarán Fe2 + al medio
acuoso. Los metales que se reducirían de esta forma serían:
25
níquel -Ni-, cobre -Cu-, cadmio -Cd-, y plomo -Pb-. También
lo harían los aniones, nitrato -N03--, nitrito -N02--, arseniato -As04 3--y arsenito -As033--. Además de éstos, el Crv1 Cr111
pasará a que precipitará como hidróxido debido al elevado pH.
En disolución quedarían el sodio -Na-, aluminio -Al-, calcio-Ca-, zinc -Zn-, los aniones borato, cianuro, carbonato, fluoruro, silicato, fosfato , bisulfuro, sulfato y cloruro, así como la materia orgánica no reducible. Veremos que algunos aniones precipitarán como sales de hierro.
La presencia de Fe2+ producirá la complejación del cianuro, y la precipitación de carbonatos y sulfuros.
Por lo tanto tras el paso por el filtro de hierro, quedarían en disolución: amoniaco concentrado además de borato, fluoruro, sodio, aluminio, silicato, sulfato, cloruro, potasio, calcio, Fe3+, ferrocianuro, ferrocianuro y cinc como complejo amoniacal Zn(NH3)/+ .

Tras el tanque del filtro de hierro y ya en la tercera fase, el efluente pasa a un tanque donde por agitación y la presencia de Fe2+ y Fe3+ se produce la coagulación de la materia presente en el agua. Tras el proceso de coagulación se produce la floculación, por eso se suele hablar de los procesos de coagulación-floculación (opcional definición de estos dos fenómenos). Tras el filtrado o decantación de los flóculos la recuperación del amoniaco se realizará en un tanque especial. El proceso ha sido estudiado en todas sus variables implicadas para obtener la mayor cantidad de amoniaco posible. El sistema aplicado está basado en una soplante de aire caliente en un baño de ultrasonidos con un reflujo de condensación en una disolución a la que se haya añadido hidróxido potásico -KOH-. La recuperación se favorecerá por el hecho de que la reducción con hierro incrementa la basicidad del medio. La disminución de pH tras la recuperación del amoniaco, posibilitará la floculación de los óxidos hidratados de Aluminio. El amoniaco recuperado, que contendrá agua, se almacena en el depósito de almacenamiento de amoniaco para ser reutilizado al principio del proceso, ya que no se considera necesario su posterior purificación.
En la cuarta fase, se toma la disolución anterior que tiene pH básico, por ello requiere ser neutralizada. Una manera de realizar esto, respetuosa con el medio ambiente, es utilizar dióxido de carbono en forma de gas, que sería burbujeado en un tanque de neutralización hasta alcanzar un pH óptimo. De este modo, conseguimos que nuestro proceso, además de servir para depurar aguas residuales, contribuya a la fijación de dióxido de carbono. El agua fertilizada con carbonatos ha demostrado su utilidad en varios cultivos donde se obtienen incrementos en los tamaños foliares y frutales.

El burbujeo de dióxido de carbono tendrá como efecto
adicional la precipitación de otros cationes que pueda haber presentes. Así, precipitarían los carbonatos de hierro, calcio y zinc. Dado el porcentaje tan bajo de los cationes en la disolución, la precipitación conjunta de todos ellos no 5 superará un gramo por litro de agua tratada. En una quinta fase se procede a la ózonificación de la disolución, lo que servirá para óxidar la materia orgánica floculada en el proceso anterior. En todos los procesos de desinfección, esterilización u oxidación, la acción del ozono es muy rápida
10 y eficaz, puesto que es uno de los desinfectantes más potentes que se conocen y no se crean subproductos resultantes del propio tratamiento.
Finalmente los carbonatos precipitados tras el burbujeo de dióxido de carbono, así como las substancias que precipiten 15 tras el tratamiento con ozono, se separarán del sobrenadante por filtración mediante tierras diatomeas.
Los filtros de diatomeas capaces de retener las partículas de
tamaño medio superior a una micra (0,001 mm); condición
necesaria para obtener agua con un nivel aceptable de brillo
20 y transparencia.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para la mejor comprensión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompaña un esquema en el que solo a titulo de ejemplo, representa el proceso: (1) Tanque de 25 adición de amoniaco. (2) Filtro de precipitados del paso
anterior. (3) Recuperación de precipitados del filtro anterior.
(4) Filtro de limaduras de hierro. (5) Recogida de precipitados del filtro de limaduras de hierro. (6) Tanque de floculación y recuperación del amoniaco -NH3-. (7) Recirculación de 5 amoniaco -NH3-recuperado al inicio de ciclo. (8) Tanque neutralización, mediante adición de hidróxido potásico -KOH-. (9) Acidificación mediante dióxido de carbono -C02-. (1 O) Ozonizador. (11) Filtro de diatomeas. (12) Recuperación de precipitados, de la neutralización. (13) Recuperación de
10 precipitados formados tras la adición de dióxido de carbono-C02-.
DESCRIPCION DE LA FORMA DE REALIZACION PREFERIDA.
El proceso desarrollado en la presente invención, no requiere
15 de unos tratamientos primarios diferentes a los comúnmente utilizados hoy en día en cualquier depuradora: Reja de gruesos, reja de finos, tamizado, desarenador y desengrasador como pre-tratamiento y una decantación como tratamiento primario.
20 A continuación se describe el proceso de depuración propuesto. El primer paso consiste en introducir el efluente en un tanque donde se adicionará amoniaco -NH3-. Se consigue con ello la precipitación de iones magnesio -Mg-, cromo -Cr-, manganeso -Mn-, hierro -Fe-y mercurio -Hg-

presentes en las aguas. Además, dado el poder biocida del
amoniaco -NH3-, se eliminarán los microorganismos en esta etapa.
Tras un filtrado para eliminar el precipitado formado hasta ahora, el efluente pasa a través de un filtro de limaduras de hierro. Este filtro consiste en un tanque lleno de hierro metal finamente dividido para aumentar la superficie de contacto. En este paso se conseguiría por oxidación del hierro -Fe-, la reducción y por tanto precipitación de metales como el níquel -Ni-, cobre -Cu-, arsénico -Ar-, Cadmio -Cd-y Plomo -Pb-, así como la reducción del Cromo -Cr-hexavalente a trivalente.
En el paso siguiente se produce la floculación con el hierro generado en el filtro, en forma de ión ferroso -Fe2 +-y férrico -Fe3 +-. En medio básico, ambos se comportan como un agentes floculantes, en particular el último, y son capaces de aglutinar las sustancias coloidales presentes en el agua y facilitar de esta forma su decantación.
A continuación se añade hidróxido potásico -KOH-el cual, por efecto de ion común, provoca la disminución de la solubilidad del amoniaco en agua. El amoniaco -NH3-de la solución se desprende mediante la aplicación de una soplante y ultrasonidos, con objeto de recuperar el mismo y almacenarlo para su posterior utilización al principio del proceso.

A continuación, se neutralizará el exceso de basicidad con dióxido de carbono -C02-. Esto provocará la precipitación de exceso de hierro y de otros metales. Opcionalmente, se podrían utilizar también los ácidos nítrico -HN03-, fosfórico -H3P04-y sulfúrico -H3S04-, en caso de requerirse suplementar el agua de riego con los correspondientes aniones.

Tras la floculación y neutralización se realiza la ozonización del efluente, oxidando así la materia orgánica presente en el agua y disminuyendo, consecuentemente la demanda bioquímica de oxígeno en cinco días -DBO-y demanda química de oxígeno -DQO-. Además este proceso oxidaría el hierro -Fe-, manganeso -Mn-, azufre -S-, detergentes, pesticidas, órgano clorado, hidrocarburos, nitritos, sulfuros, etc. El ozono también tiene el efecto de decolorar y desodorizar el agua. Los precipitados se filtraran posteriormente en un filtro de diatomeas. Se ha ensayado que el efluente resultante cumple con los estándares de demanda bioquímica de oxígeno en cinco días -DBO-, demanda química de oxígeno -DQO-y sólidos en suspensión -SS-requeridos por la legislación española para aguas de riego.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    REGENERACION Y DEPURACIÓN DE AGUAS
    RESIDUALES
    Y FERTILIZACIÓN PARA EL RIEGO
    AGRÍCOLA,
    es un procedimiento que consigue la
    5
    depuración de aguas, a partir de limaduras de hierro y
    consumiendo
    C02, permitiendo obtener agua apta para
    riego con compuestos que provienen de las aguas residuales
    y que favorecen su uso como fertilizante que comprende las
    siguientes etapas:
    1o
    -Adición de amoniaco en las aguas residuales.
    -Filtro de limaduras de hierro.
    -Floculación y recuperación del amoniaco -NH3-.
    -Recirculación
    de amoniaco -NH3- recuperado para el
    inicio de ciclo.
    15
    -Adición de hidróxido potásico -KOH-.
    -Acidificación mediante dióxido de carbono -C02
    -Ozonificación del agua.
    -Recuperación de los precipitados formados tras la adición
    de dióxido de carbono -C02-.
    20
    -FILTRACION MEDIANTE DIATOMEAS Y OBTENCION
    DE AGUA APTA PARA RIEGO
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