Processos i tecnologies per al tractament de fangs

A Condorchem Envitech oferim solucions per al tractament dels fangs generats durant processos de tractament d’aigües residuals industrials.

Gràcies als nostres sistemes i processos per al tractament de fangs es poden obtenir els següents beneficis:

• Reducció del volum i pes del residu a enviar a gestor
• Reutilització d’aigua tractada
• Recuperació de matèries valuoses dissoltes en el fang a tractar
• Producció de fertilitzants, gràcies al seu contingut en fosfat i nitrats
• Producció d’energia (biogàs i metà)
• Eliminació dels riscos per a la salut associats als fangs residuals

A Condorchem Enviro Solutions disposem de diversos processos i tecnologies per al tractament de fangs, per la qual cosa la selecció del sistema més adequat dependrà de les peculiaritats de cada cas i dels objectius del client.

El tractament de fangs generats en els processos de tractament d’aigües residuals està regulat sota legislacions específiques en cada territori.

CLASSIFICACIÓ DELS FANGS

En funció del criteri emprat, els fangs poden ser classificats de la següent manera:

a) Segons l’origen de l’efluent a tractar:

• Fangs urbans
• Fangs industrials

b) Segons l’etapa del tractament de l’aigua residual en què s’hagin generat:

• Fangs Primaris
• Fangs Secundaris (biològics)
• Fangs Mixtos
• Fangs Terciaris (químics o físic-químics)

c) Segons el tipus de tractament a la línia de fangs:

• Espessiment: fangs Espessits
• Estabilització: fangs Estabilitzats (digerits)
• Deshidratació: fangs Deshidratats

TRACTAMENT DELS FANGS

Hi ha diversos mètodes per a la caracterització dels fangs a tractar, entre els quals destaquen: cromatografia, espectroscòpia fluorescent de Raigs X, anàlisi bacteriològic, gràcies als quals es defineixen els valors dels següents paràmetres que permetran determinar els processos de tractament de fangs més adequats en base al seu destí final.

Concretament, els paràmetres que incideixen majoritàriament en l’adequació dels fangs per al seu ús agrícola i que per tant s’han d’analitzar abans i després del tractament dels mateixos són:

a) Metalls pesants: Cd, Cr, Ni, Hg, Pb, Zn i Cu

Els metalls pesants són un dels paràmetres a tenir en compte per a la caracterització dels fangs. Des de la dècada dels 70, s’ha produït una reducció molt significativa en el contingut dels mateixos en els fangs de depuradora. Les raons principals d’aquesta dràstica reducció han estat les diferents legislacions que han anat sorgint en els diferents països, amb la finalitat de regular i limitar aquest tipus d’elements a causa dels seus efectes nocius sobre el medi ambient. Això ha portat la indústria i les diferents administracions implicades a desenvolupar i optimitzar sistemes de gestió dels mateixos que han permès reduir els nivells de metalls pesants emesos al medi ambient. Els dos processos que més han contribuït a aquest fet han estat:

• Reciclatge
• Substitució

Gràcies al desenvolupament de tecnologies cada vegada més optimitzades i processos alternatius vinculats amb ambdós punts s’ha aconseguit una reducció molt significativa de les emissions de metalls com el Cadmi, que en els últims 30 o 40 anys ha disminuït dràsticament la seva emissió al medi ambient (https://www.cadmium.org/environment/cadmium-emissions)

b) Microorganismes patògens: Salmonella spp, Escherichia colli
c) Agronòmics: pH, Conductivitat H, MO, NT, org NH3, P, Ca, Mg, K i Fe
d) Contaminants orgànics: AOS, LAS, Ftalats, Nonilfenols, Hidrocarburs aromàtics policíclics, Policlorobifenils, Dioxines i furanos, Difenil èters bromats

Així, tenint en compte la línia de fangs podem diferenciar 3 grans etapes de tractament, en les quals trobem diferents processos associats:

1. Espessiment

Els processos de tractament de fangs que representen aquesta etapa permeten una reducció del volum del fang a tractar, eliminant aigua i augmentant així la concentració en sòlids. L’objectiu principal és l’increment de l’eficàcia i l’optimització econòmica dels processos posteriors.

Els principals processos d’espessiment són:

• Espessiment per gravetat: empra la força de la gravetat. L’alimentació es produeix per la zona central, a la part inferior es recullen els fangs espessits i a la superior queda el sobrenedant. Aquest sistema s’empra en fangs primaris, físic-químics i mixtos que decanten bé per gravetat. Els fangs biològics decanten lentament
• Espessiment per flotació: el fang es concentra a la part superior, per la unió de microbombolles, generalment d’aire, als sòlids en suspensió, que acaben sent menys densos que l’aigua. Aquest tipus de sistema està indicat per a l’espessiment de fangs biològics a causa de la seva baixa capacitat de sedimentació.
• Espessiment mecànic: la concentració de fang es duu a terme augmentant les forces gravitatòries.
  • Centrifugació: s’aplica una força centrífuga que permet la separació. S’empra principalment en fangs biològics. Són equips cars que requereixen mesures adequades de manteniment.
  • Tambor rotatiu: separació per filtració, a través del tambor rotatiu. S’empra en cas de fangs biològics. Els costos d’intervenció no són elevats, requereixen poc espai i no produeixen olors.
  • Taules espessidores: la separació es produeix per drenatge de l’aigua a través d’una cinta horitzontal porosa en moviment. Estan indicades per a fangs actius o digerits. No és adequat en el cas de fangs físic-químics.

2. Estabilització

Qualsevol dels 3 processos principals emprats en l’estabilització dels fangs permet una reducció de la MO present en els mateixos, amb la finalitat de:

a) Reduir els patògens
b) Eliminar olors
c) Reduir o eliminar la capacitat de putrefacció de la MO

Els processos d’estabilització es divideixen en:

2.1. Estabilització biològica

2.1.1 Estabilització aeròbica

Procés biològic en què, per acció microbiològica, s’oxida MO, mitjançant un aport d’oxigen als digestors oberts. D’aquesta manera es redueix la massa final del fang, modificant-lo per adequar-lo a processos posteriors.

S’empra com a tractament secundari d’una EDAR sense tractament primari. També pot emprar-se per a fangs mixtos amb un aport més elevat d’oxigen. Els factors que afecten aquest procés són:

• Temps de retenció
• Temperatura
• Necessitats d’oxigen i de mescla

2.1.2 Estabilització aeròbica termòfila

Es tracta d’una digestió aeròbica autotèrmica termòfila desenvolupada per aconseguir complir les regulacions cada vegada més estrictes. Es basa en la conservació de l’energia tèrmica generada en la digestió aeròbica de la MO dels fangs, per assolir i mantenir temperatures termòfiles (50-70 ºC).

2.1.3 Compostatge

Es tracta d’un procés de descomposició biològica i estabilització de MO en condicions controlades i aeròbiques, desenvolupant temperatures termòfiles, producte de la calor generada biològicament. El resultat és un producte estable i lliure de patògens. La MO es descompon en CO2, aigua, minerals i MO estabilitzada.

Es pot dur a terme només amb fangs o barrejant-los amb agents estructurants que facilitin les condicions aeròbiques. Les principals etapes són:

• Mescla
• Fermentació o compostatge
• Maduració
• Refinament

És efectiu en la descontaminació de contaminants orgànics com: Hidrocarburs de petroli, compostos monoaromàtics, explosius, clorofenols, alguns pesticides i compostos aromàtics policíclics.

Els microorganismes poden actuar mineralitzant-los o transformant-los parcialment.

En el cas dels contaminants metàl·lics no són retirats significativament durant el procés. Es produeixen reaccions d’oxidació i reducció dels mateixos que influeixen en la solubilitat, reduint la seva disponibilitat i toxicitat en la fracció sòlida.

És necessari un adequat control dels paràmetres crítics (pH, airejament, humitat, relació C/N) per evitar condicions anaeròbiques a la massa de compostatge que provoquin augment d’olors

2.1.4 Estabilització anaeròbica

És un dels mètodes més comuns per a l’estabilització de fangs. Consisteix en la degradació de la MO, per l’acció en absència d’oxigen, alliberant energia, metà (CH4), diòxid de carboni (CO2) i aigua (H2O), gràcies a l’acció d’alguns tipus de bacteris.

Es produeix en 4 etapes: Hidròlisi, Acidogènesi, acetogènesi i metanogènesi.

Aquests sistemes es classifiquen en: baixa càrrega, alta càrrega, contacte anaeròbic i amb separació de gasos. En aquest procés s’han de controlar:

• pH
• Temperatura
• Alimentació de fang
• Temps de retenció
• Producció de gas

2.2 Estabilització química

És una alternativa a l’estabilització biològica per al tractament de fangs. L’objectiu d’aquest tipus d’estabilització és reduir o minimitzar els patògens i reduir substancialment els microorganismes capaços de produir olors.

2.2.1 Estabilització amb calç

El producte aplicat majoritàriament és la calç. S’afegeix al fang a la dosi adequada per mantenir el pH a 12 durant el temps suficient (mínim 2 h) per eliminar o reduir els microorganismes patògens i els responsables de les olors. Aquest sistema s’utilitza:

• Depuradores petites amb incorporació de fangs a terrenys naturals o emmagatzemats abans del transport
• Depuradores amb necessitat d’estabilització addicional
• Sistema complementari d’estabilització durant períodes en què altres sistemes estan fora de servei

Normalment s’incorpora abans de l’assecat dels fangs encara que també pot emprar-se a posteriori, emprant menors quantitats de calç. La dosificació de calç depèn de:

• Tipus de fang
• Composició química del fang (incloent la MO)
• Concentració del fang

Durant el procés de tractament de fangs mitjançant calç viva és necessari mantenir el pH per sobre de 12, durant un temps mínim de 2 hores, per assegurar la destrucció dels patògens i proporcionar l’alcalinitat residual suficient perquè el pH no baixi de 11. Permetent, així, el temps suficient per a l’emmagatzematge o disposició del fang estabilitzat. La quantitat de calç necessària per estabilitzar el fang està determinada pel temps del mateix, la seva composició química i la concentració de sòlids. A grans trets, el rang va des del 6 fins al 51%. Tenint en compte que els fangs primaris són els que menys quantitat de calç requereixen i els fangs activats els que més quantitat empren.

2.2.2 Oxidació amb clor

S’incorpora una dosi alta de clor al fang a tractar. Es duu a terme en reactors tancats i es necessiten períodes de retenció curts. Per ara aquest sistema no està estès a nivell industrial.

2.3 Condicionament

Els fangs de consistència gelatinosa poden dificultar les operacions d’assecat. En aquests casos es realitza un condicionament previ per millorar les característiques del fang per a la seva deshidratació. Els mètodes més freqüents són:

2.3.1 Condicionament químic

Dóna com a resultat la coagulació dels sòlids i la lliberació de l’aigua absorbida. S’usa abans de qualsevol procés d’assecat. Els productes químics emprats són:

• Clorur fèrric
• Calç
• Sulfat d’alumini
• Polímers orgànics

Els 3 primers proveeixen desinfecció i estabilització del fang. Els polímers no provoquen desinfecció però són més fàcils d’alimentar i solen ser més econòmics.

L’objectiu d’aquest tipus d’estabilització és reduir o minimitzar els patògens i reduir substancialment els microorganismes capaços de produir olors.

2.3.2 Condicionament tèrmic

Es duu a terme un escalfament dels fangs a temperatures que varien entre 160-210 ºC durant curts períodes de temps sota pressió. Això provoca una coagulació dels sòlids i un canvi en l’estructura, reduint-se l’afinitat de l’aigua per part dels sòlids del fang.

El fang queda esterilitzat, pràcticament desodoritzat i augmentant significativament la seva capacitat de deshidratació

3. Deshidratació

Es tracta d’una operació física (natural o mecànica) emprada per reduir el contingut d’humitat del fang i el seu volum. Els seus objectius principals són:

• Augmentar el contingut de matèria seca del sòl d’un 3-40%
• Disminuir els costos de transport per reducció de volum
• Millorar la manipulació i transport dels fangs
• Evitar olors
• Augmentar el poder calorífic per disminució de la humitat

Els sistemes més estesos són els mecànics per davant dels naturals. Des del punt de vista econòmic les tecnologies de deshidratació prevalen en ordre descendent:

• Centrífugues
• Filtres de premsa de corretja
• Filtres de premsa

3.1 Sistemes mecànics

3.1.1 Centrífugues

Consisteixen en un tambor cilindre-cònic d’eix horitzontal que es fonamenta en la força de centrifugació per a la separació de la fase sòlida de l’aigua. Hi ha dos tipus de centrifugació en la deshidratació dels fangs:

a) Centrifugació contra corrent: els sòlids i el líquid circulen en sentit contrari dins del cilindre.
b) Centrifugació equicorrent: la fracció sòlida i la líquida discorren en el mateix sentit.

3.1.2 Filtres de premsa

Els filtres premsa consten d’una sèrie de plaques rectangulars verticals disposades una darrere l’altra sobre un bastidor. Sobre les cares d’aquestes plaques es col·loquen teles filtrants, generalment de teixits sintètics. L’espai que queda entre dues plaques, a la seva part central buida, és el gruix que adquirirà la torta resultant. Aquest gruix pot oscil·lar entre 15-30 mm.

La superfície dels filtres premsa pot ser de fins a 400 m2, i la superfície de les plaques de 2 m2. Aquests filtres solen estar formats per més de 100 plaques. El procés de filtrat varia entre 2-5 hores, depenent de la durada de les diferents etapes que passem a enumerar a continuació:

• Ompliment
• Filtrat
• Descàrrega
• Neteja

Amb aquest procés de tractament de fangs s’aconsegueix una estanquitat del 35-45%, segons les característiques del fang a tractar. Es necessita personal especialitzat i qualificat per al seu manteniment i explotació.

3.1.3 Filtres de banda

És un sistema d’alimentació contínua de fang, on es realitza també un condicionament químic, generalment amb polielectròlits.

En els filtres de banda primer es produeix un drenatge per gravetat i després es fa passar el fang per una aplicació mecànica de pressió perquè es produeixi la deshidratació, gràcies a l’acció d’una tela porosa.

És un mètode barat, ja que no necessita una gran inversió inicial, els costos de manteniment i explotació són baixos i la instal·lació representa un baix consum energètic.

3.2 Sistemes naturals

3.2.1 Eres d’assecat

Es tracta d’un sistema de deshidratació natural. Són capes de materials drenants disposades de forma horitzontal en un recipient.

El fang es fa passar sobre aquestes capes de grava o sorra produint-se el filtrat i la deshidratació dels fangs per evaporació. Aquesta evaporació dependrà de les condicions climàtiques de la zona, els dies d’exposició dels fangs i les característiques del fang.

El material drenant sol estar format per capes de 10 cm de sorres sobre una capa de grava de 10-20 cm, col·locant una xarxa de canonades a la part inferior per recollir l’aigua que tornarà a ser tractada a l’E.D.A.R. La capa de sorra s’ha de reposar cada cert temps ja que es perden sorres en el procés de filtrat i recollida dels fangs.

L’inconvenient que presenta aquest procés és la gran superfície de terreny que es requereix.