Caracterización y tratamiento de las aguas de lavado de gases procedentes de hornos de arco eléctrico. Aplicación de procesos convencionales y avanzados de oxidación
- Autores: Noelia Pueyo Portillo
- Directores de la Tesis: M. Peña Ormad Melero (dir. tes.), Natividad Miguel Salcedo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jose Luis Ovelleiro Narvión (presid.), M. I. Maldonado (secret.), Ana María Amat Payá (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza
- Materias:
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- Resumen
En los hornos de arco eléctrico utilizados en la fabricación de acero, carburo cálcico, silicio metal, etc., la fusión de metales o la reducción de minerales, se consigue mediante el calor desprendido por el paso de una corriente eléctrica de alto voltaje sobre varios electrodos, que pueden estar construidos con materiales de distinta naturaleza.
Como consecuencia de las elevadas temperaturas alcanzadas, se generan gases contaminados que contienen no solo restos de materias primas, productos auxiliares y productos finales de reacción, sino también algunos subproductos generados por reacción de los anteriores con el oxígeno y el nitrógeno del aire.
Previamente a su evacuación a la atmósfera, dichas emisiones deben ser depuradas para la eliminación de materia particulada, vapores y gases contaminantes. Para ello se utilizan distintas tecnologías de tratamiento, entre las que destacan los procesos de lavado, por su mayor aplicación. En concreto, los gases generados, se depuran mediante su lavado con agua en una torre de absorción, generándose unas aguas residuales que deben ser tratadas, antes de su vertido a un cauce receptor.
El carácter discontinuo del proceso productivo, da lugar a una alta variación temporal en la concentración de los contaminantes detectados en el agua residual a tratar, lo que se traduce en un difícil control del sistema de depuración, así como, en unos elevados costes de explotación. En determinadas ocasiones, el tratamiento de depuración puede incluso no resultar efectivo para la eliminación de determinadas sustancias, debido fundamentalmente a interferencias causadas por otros contaminantes presentes en la matriz industrial, a pesar de estar utilizando procesos que resultan teóricamente adecuados según bibliografía consultada.
En este marco, se plantea el presente trabajo de investigación, cuyo objetivo principal es la aplicación de procesos convencionales y avanzados de oxidación para el tratamiento de aguas de lavados de gases procedentes de hornos de arco eléctrico, con el fin de obtener un efluente tratado en términos, no sólo de máxima eliminación de contaminantes, sino de máxima calidad del mismo, que permita su máxima reutilización así como su vertido final sin riesgos medioambientales asociados.
Este objetivo principal se desglosa en los siguientes objetivos secundarios:
− Caracterización de las aguas residuales industriales y análisis del tratamiento de depuración ya existente, utilizado en la industria objeto de estudio. Estudio de la evolución de los principales contaminantes en el ciclo del agua de la industria e identificación de problemas operacionales.
− Estudio del tratamiento de eliminación de sólidos en suspensión presentes en las aguas residuales industriales mediante proceso de coagulación-floculación. Determinación a escala de laboratorio de las condiciones operacionales más adecuadas y su implementación a escala real.
− Estudio del tratamiento de eliminación de sales incrustantes presentes en las aguas residuales industriales mediante proceso de ablandamiento con cal-soda. Determinación a escala de laboratorio de las condiciones de operación más adecuadas y puesta en marcha e implementación del tratamiento en las instalaciones a escala real.
− Estudio del tratamiento de eliminación del cianuro presente en las aguas residuales industriales mediante procesos convencionales y avanzados de oxidación. En concreto, análisis de procesos convencionales, los basados en carbón activo y peróxido de hidrógeno y de procesos avanzados de oxidación, los basados en la combinación de peróxido de hidrógeno, ozono (O3), dióxido de titanio y radiación ultravioleta (UV). Análisis de influencia de variables: matriz sintética/real, concentración inicial de cianuro, tiempo de tratamiento, dosis de reactivos, radiación ultravioleta artificial/natural, ausencia/presencia de sólidos en suspensión y ausencia/presencia de sales incrustantes.
− Estudio del tratamiento de eliminación de amoniaco presente en las aguas residuales industriales mediante la adición de distintos agentes oxidantes: hipoclorito sódico y ozono.
− Estudio del tratamiento de eliminación de microcontaminantes orgánicos presentes en las aguas residuales industriales mediante la adición de distintos agentes oxidantes: peróxido de hidrógeno y ozono. − Definición de alternativas de tratamiento de depuración de las aguas residuales industriales y análisis de costes de los tratamientos propuestos.
Como consecuencia de los resultados obtenidos durante la realización de la investigación se alcanzan las siguientes conclusiones:
− Las aguas de lavado de gases objeto de estudio, presentan una composición muy compleja y una gran variabilidad, que depende fundamentalmente del nivel de producción industrial; por un lado las aguas residuales contienen compuestos que están presentes en concentraciones cercanas a los g/L, que es necesario eliminar en el sistema de depuración para poder, por un lado reutilizar el agua en el sistema y por otro cumplir con los límites establecidos en la autorización de vertido. Además, están presentes microcontaminantes, en concentraciones mucho más bajas, pero que por su peligrosidad asociada es preciso eliminar previamente a su emisión al cauce receptor.
− El óxido cálcico y el carbón forman parte de la materia particulada presente en los gases procedentes del horno de arco eléctrico; en el proceso de lavado esta materia aporta a las aguas, un elevado contenido en sólidos en suspensión, un pH básico, un alto contenido en calcio y una elevada alcalinidad, debido fundamentalmente a la presencia de hidróxidos y carbonatos, generados por disolución del dióxido de carbono en medio básico así como por hidratación del óxido cálcico y su posterior carbonatación.
− En la depuradora, el proceso de coagulación-floculación con adición de policloruro de aluminio y copolímero de acrilamida, tiene por objeto la eliminación de los sólidos en suspensión. La optimización de las dosis de los reactivos utilizados, objeto de este trabajo, ha supuesto para la industria un ahorro económico de unos 8600 €/año, mejorando además la calidad del efluente tratado.
− La generación de incrustaciones en el sistema, formadas principalmente por precipitados de carbonato cálcico, origina problemas operacionales importantes, sobre todo en el lavador de gases. Con el fin de minimizar el poder incrustante de las aguas, y como consecuencia del trabajo aquí realizado, se ha sustituido el proceso de neutralización con ácido clorhídrico, utilizado inicialmente con ese fin pero con demostrada ineficacia, por un tratamiento con cal-soda. Esta modificación en la depuradora implantada a escala real ha supuesto un ahorro económico de unos 90000 €/año, consiguiendo además que la industria no necesite detener la producción, para proceder a la limpieza de las instalaciones, tal y como ocurría previamente.
− Como compuestos minoritarios se detectan en las aguas residuales, contaminantes incluidos en la autorización de vertido; en concreto cianuro y amoniaco. Además, están presentes otros contaminantes, algunos de ellos de naturaleza peligrosa, no incluidos en dicha autorización. Se trata de metales tales como el hierro y silicio, así como hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) y compuestos nitrogenados heterocíclicos. El cianuro se forma como consecuencia de la reacción del carbón con el nitrógeno atmosférico a alta temperatura dentro del horno incorporándose a los gases y posteriormente a las aguas en el lavado. También, consecuencia de este proceso, se originan los compuestos orgánicos policíclicos y heterocíclicos. El origen de hierro y del silicio está en el electrodo de ferrosilicio utilizado en el horno. Al contrario de lo que cabría esperar, el amoniaco procede mayoritariamente de la hidrólisis de los compuestos nitrogenados orgánicos detectados y no de la oxidación del cianuro.
− En la depuradora, una primera etapa de oxidación con peróxido de hidrógeno tiene por objeto la eliminación de cianuro presente en las aguas residuales; una segunda etapa de oxidación con hipoclorito sódico pretende la eliminación de amoniaco en las aguas. Sin embargo, la presencia de otros contaminantes mayoritarios, tales como los sólidos en suspensión, carbonatos y bicarbonatos y de otros minoritarios de naturaleza orgánica precursores de otros contaminantes, limitan la eficacia del tratamiento. La modificación en el orden de la secuencia de las operaciones en la línea de tratamiento, incorporando el ablandamiento mediante el método de cal-soda y la coagulación-floculación, previamente a los procesos de oxidación, así como un ajuste en la adición de los oxidantes realizándose en función de la carga productiva, aumenta los costes de tratamiento en unos 6600 €/año, pero también su eficacia.
− Como consecuencia de la implementación a escala real de todos los cambios mencionados previamente, se consigue reducir de manera global el coste del tratamiento de depuración en unos 92000 €/año, consiguiendo además, reducir los problemas operacionales relacionados con el depósito de incrustaciones y mejorar en gran medida la calidad del efluente. A pesar de ello, se considera altamente recomendable la sustitución del proceso de pre-oxidación con peróxido de hidrógeno por otros de oxidación avanzada, los cuales, permitirían de una manera mucho más eficaz, la oxidación de un gran número de los contaminantes presentes; en concreto de cianuro, PAHs y compuestos orgánicos heterocíclicos. Con este fin, se consideran especialmente efectivos el proceso fotocatalítico y la ozonización a pH básico.
− Considerando la complejidad del agua residual industrial a tratar y el difícil control operacional del sistema de depuración que conlleva, se aconseja adoptar un tratamiento de depuración que consta de las siguientes etapas: una pre-oxidación con ozono, una coagulación-floculación, un ablandamiento con soda y una oxidación final con hipoclorito sódico; mediante este tratamiento se eliminan eficazmente el cianuro, los sólidos en suspensión, los sólidos disueltos, el amoniaco y los microcontaminantes orgánicos presentes en las aguas residuales industriales, cumpliendo con la normativa vigente en materia de aguas.
− Se estima, que la adopción de este tratamiento de depuración aumentaría los costes en unos 130000 €/año, con respecto a los costes del tratamiento de la depuradora existente previamente a la realización de este trabajo. Principalmente, el mayor coste asociado se relaciona con la etapa de pre-oxidación con ozono, que resulta muy elevado, dada la alta dosis de ozono necesaria en el tratamiento y después la cloración, utilizada como oxidación final.
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