TEC-29 PLANTA PILOTO INDUSTRIAL DE TRATAMIENTO QUÍMICO PARA DEPURACION DE AGUAS DE LAVADO DE ACEITE Y ACEITUNAS. Martínez Nieto. L.*; Hodaifa G.** ; Rodríguez Vives. S.*; Giménez Casares. J. A.*; Lozano Peña J. L.**; y Muñoz Cobo. A.** 1 Dpto. Ingeniería Química, Universidad de Granada, 18071 Granada, lmartin@ugr.es 2 Asociación de Organizaciones de Productores del Aceite de Oliva (UNAPROLIVA), Jaén FORO DE LA TECNOLOGÍA OLEÍCOLA Y LA CALIDAD RESUMEN Las plantas industriales de extracción de aceite de oliva (almazaras) producen elevadas cantidades de aguas residuales de lavado de aceite y aceitunas, que pueden ocasionar un elevado impacto en el medio ambiente. Estás aguas normalmente se almacenan en balsas de acumulación para su evaporación durante el verano. Esta alternativa, entre otras, hasta el momento no representa una solución definitiva para este problema, especialmente por que las administraciones exigen cada vez más el acondicionamiento de este vertido, asi como las condiciones constructivas de las balsas. Los procesos avanzados de oxidación (PAOs) muestran un gran potencial en las tecnologías de tratamiento de aguas en general y de aguas residuales en particular. Estos procesos utilizan oxidantes químicos para reducir niveles de DQO/DBO5 y para eliminar componentes inorgánicos y orgánicos oxidables. Estos sistemas oxidan la materia orgánica a CO2 y H2O. Entre los oxidantes más utilizados se encuentran el permanganato de potasio y peróxido de hidrógeno. Los resultados que se presentan son el resultado de la aplicación de investigaciones previas en laboratorio, llevadas a nivel de planta piloto industrial, con una capacidad de 32-40 m3 / dia. De los mismos cabe resaltar que el valor de la demanda química de oxígeno a la salida de la depuradora es del orden medio de 661,1 ppm al utilizar el sistema Fenton y del orden de 800 ppm al utilizar el permanganato de potasio como oxidante. Esta agua cumple las exigencias actuales para su uso en riego. INTRODUCCIÓN Las plantas industriales de extracción de aceite de oliva (almazaras) producen elevadas y variables cantidades de aguas residuales de lavado de aceite y aceitunas, que tienen un gran impacto en el medio ambiente. Estás aguas normalmente se almacenan en grandes balsas de acumulación para su evaporación durante el verano. Esta solución entre otras hasta el momento no representa una solución definitiva para este problema, especialmente por que las administraciones se manifiestan cada vez más exigentes en cuanto al acondicionamiento de este vertido y al acondicionamiento y calidad constructiva de las balsas. En la composición química de estás aguas destaca un porcentaje de sólidos totales entre 0,18-0,28 % para las aguas de lavado de aceitunas y entre 0,15-1,47 % para las aguas de lavado de aceite, un porcentaje de materia orgánica entre 0,07-0,34 % y entre 0,1-1,42 %, respectivamente, y unos parámetros de DBO5 y DQO, entre 0,12-1,8 g O2/L y 0,22-4,8 g O2/L, respectivamente, para las aguas de lavado de aceitunas, entre 0,47-0,92 % g O2/L y 2,9-12,1 g O2/L, respectivamente, para las aguas de lavado de aceite (Martínez et al., 2003). Los procesos avanzados de oxidación (PAOs) muestran un gran potencial en las tecnologías de tratamiento de aguas y aguas residuales. Estos procesos utilizan oxidantes químicos para reducir niveles de DQO/DBO5 y para eliminar componentes inorgánicos y orgánicos oxidables. Estos sistemas oxidan la materia orgánica a CO2 y H2O, y entre los oxidantes más utilizados se encuentran el permanganato de potasio y peróxido de hidrógeno. Las dos reacciones de oxidación reducción principales del permanganato en el tratamiento de aguas son: En medio ácido: MnO4- + H+ → Mn++ [1] 1 En medio alcalino: MnO4- + OH- → MnO2 [2] Por otra parte la combinación del peróxido de hidrógeno y las sales ferrosas corresponden a la reacción de Fenton (Walling, 1975). En la oxidación de Fenton aparecen en primer lugar los radicales de hidroxilo (OH*) generados por la reacción del peróxido de hidrógeno con el ion ferroso, originándose una reacción en cadena, con producción de distintos radicales: H2O2 + Fe2+ → OH* + OH- + Fe3+ [3] La reacción de Fenton es una oxidación simple y efectiva para diferentes tipos de contaminantes de origen orgánico, donde se produce una cantidad poco significativa de hidróxido férrico que necesita ser separado y gestionado (Shanshan y Chihpin, 1999). En base a los resultados de los ensayos realizados a nivel de laboratorio en la utilización de permanganato de potasio y con la reacción de Fenton en el tratamiento de las aguas de lavado de aceite y aceitunas y basado en las mejores condiciones obtenidas, los autores han desarrollado, diseñado e implantado una instalación piloto experimental suficientemente versátil para ensayar a nivel industrial las pruebas realizadas a nivel de laboratorio. MATERIAL Y MÉTODOS 1. Descripción de la planta piloto experimental La planta piloto se encuentra situada en la almazara S.A.T Oleo-Andaluza localizada en Baeza (Jaén). El proceso desarrollado en la planta consta de: 1.Sedimentación natural en las balsas de recepción; 2 Oxidación química; 3. Neutralización y adición de coagulante, 4. Separación sólidolíquido; 5. Filtración. Un esquema simplificado se representa en la FIGURA 1. En las fotografías 1 y 2 se muestra una vista general de la Planta y una comparativa “de visu” de las aguas al entrar y salir del proceso. 1. Para una sedimentación natural al mismo tiempo que para evitar las fluctuaciones en el parámetro de la demanda química de oxígeno (contenido en materia orgánica) en las aguas de lavado de aceitunas y aceite que entran a la depuradora se han construido dos balsas de acumulación, una para las aguas de lavado de aceitunas de 1.200 m3 y otra para las aguas de lavado de aceite con una capacidad de 280 m3. 2. La oxidación química, se ha realizado en un reactor tipo tanque agitado con una capacidad de 8 m3 (el material utilizado en la fabricación de este tanque es Resina Barrera Química Vinil Ester). El tanque está equipado con un sistema de agitación de 4 CV que da lugar gracias a una motoreducción a 60 r.p.m. 3. La preparación de los reactivos, oxidantes (H2O2 ó KMnO4), catalizador en el caso de la utilización del sistema de Fenton (FeCl3) y una base para el ajuste de pH (NaOH), se ha realizado en tres tanques con una capacidad de 1 m3 cada uno equipados con un sistema de agitación, que se trasladan una vez preparados a otros tres tanques de características similares (sin agitación) para estar en espera para su adición al reactor. 4. Cabe destacar que el sistema descrito anteriormente ofrece una versatilidad a la planta permitiendo el desarrollo de dos sistemas de oxidaciones diferentes (oxidación con peróxido de hidrógeno y con permanganato de potasio). 5. Neutralización, se ha llevado a cabo en un tanque agitado similar al descrito anteriormente (reactor tipo tanque agitado con 8 m3 de capacidad), en este tanque se agrega la disolución base (NaOH) y el coagulante. 6. Separación sólido-líquido, se ha realizado en un decantador de 7 m3 de capacidad, donde la separación de los lodos se ha realizado al principio de cada semana o cuando ha sido necesario. 2 7. Filtración, esta operación se ha desarrollado utilizando tres filtros (filtros de poliéster bobinados) dos de ellos están conectados en paralelo (que contienen arenas, uno en marcha y otro en espera) y el tercero en serie con los dos anteriores conteniendo biomasa residual. Al mismo tiempo, el agua a la salida de la depuradora (aguas tratadas con un DQO < 1500 mg O2/L) se ha acumulado en una balsa impermeabilizada para su posterior uso como agua para riego. 2. Métodos analíticos Medida del pH, se ha realizado utilizando un pH-metro, Crison, mod. GLP 21. Conductividad, se ha llevado a cabo utilizando un conductívimetro, Crison, mod. GLP31. Humedad y sólidos totales, la determinación de los sólidos totales se realiza a partir de la pérdida de peso de la muestra ensayada cuando se introduce en una estufa a 105 ºC, hasta llegar a una pesada constante. La diferencia en peso respecto a la muestra original, expresado %, determina el contenido en los sólidos totales. En cuanto al % de humedad se calcula restando entre 100 y el porcentaje de los sólidos totales (Hodaifa, 2004). Cenizas, corresponden a las sales minerales obtenidos después de incinerar una muestra de residuo a 600 º C durante 3 h (Hodaifa, 2004). Demanda química de oxígeno (DQO), determinación fotométrica de la concentración de cromo (III) tras oxidación de dos horas con dicromato potásico/ácido sulfúrico/sulfato de plata a 148 ºC (Métodos normalizados alemanes, DIN 38 409 – H41-1 y DIN ISO 15 705 – H45). Peróxido de hidrógeno residual, La concentración de peróxido de hidrógeno se ha determinado empleando el método calorimétrico, utilizando sulfato de titanio, debido a su sencillez y exactitud en la medida. El sulfato de titanio reacciona con el H2O2 presente en disolución formando un complejo de color amarillo cuyo máximo de absorbancia se encuentra en torno a 410 nm (Eisenberg, 1943). Hierro total, todos los iones de hierro se reducen a iones hierro (II). Éstos en medio amortiguado con tioglicolato, forman con un derivado de triazina un complejo violeta rojizo que se determina fotométricamente a 565 nm (Métodos normalizados alemanes ISO 8466-1 y DIN 38402 A51). Manganeso, en solución alcalina los iones manganeso (II) forman con una oxima un complejo pardo rojizo que se determina fotométricamente a 445 nm (Métodos normalizados alemanes ISO 8466-1 y DIN 38402 A51). Sulfatos (SO42-), En solución acuosa los iones sulfato forman con los iones bario sulfato bárico difícilmente soluble. La turbidez que así se produce se mide en el fotómetro a 525 nm ‘procedimiento turbidimétrico (Métodos normalizados alemanes ISO 8466-1 y DIN 38402 A51). Cloruros, Reacción del cloruro con tiocianato de mercurio (II) en presencia de hierro (III) para dar cloruro de mercurio (II), aniones de cloromercuriato (II) y tiocianato de hierro (III) rojo anaranjado que se mide en fotómetro a 450 nm. Fenoles totales, el fenol y derivados del fenol reaccionan con un derivado tiazólico dando un azocolorante violeta que se determina fotométricamente a 475 nm (Métodos normalizados alemanes ISO 8466-1 y DIN 38402 A51). 3. Procedimiento En los experimentos realizados en la planta piloto para los dos sistemas de oxidación química, el volumen de muestra a tratar (carga del reactor) es de 4 m3 de una mezcla 1 v/v de aguas residuales de lavado de aceite y lavado de aceitunas procedentes de la almazara S.A.T Oleo-Andaluza. En el caso de la oxidación química con el sistema Fenton, las condiciones de operación han sido previamente determinadas en una investigación realizada a escala de laboratorio, donde la 3 concentración inicial de peróxido de oxígeno es de 5 % p/v (16 v), el catalizador utilizado es cloruro férrico (FeCl3) con una relación [FeCl3, g]/[H2O2, g del 100 %] = 0,25, pH próximo a 3 y temperatura ambiente durante 2,5 h. En cuanto a la oxidación química con permanganato de potasio, la concentración utilizada en la disolución preparada ha sido de 1 N, operando a temperatura ambiente durante 3 h hasta la desaparición visual del color violáceo característico del permanganato. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Tabla 1 se muestra la composición química (valores medios, nº de muestras mínimo superior a 5) de las aguas residuales utilizadas en el proceso. De los valores de tabla se puede observar que el mezclado de las aguas residuales dentro del reactor ayuda a bajar/reducir la DQO de las aguas residuales, lo que ayuda posteriormente a cumplir las exigencias medioambientales por parte de la administración y mejorar este parámetro a la salida de la planta (DQO < 1500 ppm). 1. Sistema de oxidación Fenton Una vez realizada la oxidación química con el sistema Fenton los diferentes parámetros del agua (valores medios, nº de muestras mínimo superior a 5) se pueden ver en la Tabla 2. Se puede observar que la DQO a la salida del reactor ya cumple lo exigido para su uso en riego (DQO <1500), y al mismo tiempo se detecta una disminución del contenido en fenoles totales (como es bien conocido, los compuestos fenólicos se comportan como antioxidantes y por lo tanto su destrucción ayuda a la biodegradación). La Tabla 3 muestra la composición química de los lodos obtenidos en el decantador al operar con el sistema de Fenton. Se observa el alto contenido en cenizas que es superior a mitad de los sólidos totales lo que se puede explicar considerando la sedimentación del hierro en forma de hidróxido de hierro. En cuanto a la composición de las aguas a la salida de la planta piloto, en la Tabla 4 se muestran los valores medios (nº de muestras mínimo superior a 20) de los distintos parámetros determinados. En la tabla anterior se puede observar que el valor de la DQO a la salida de la planta es siempre inferior a 1 g O2/L. Por otra parte, este valor es inferior al obtenido a la salida del reactor lo que indica la eficacia del sistema de filtración utilizado para la eliminación de la DQO (materia orgánica) en suspensión. Así mismo, cabe resaltar que el contenido en fenoles totales a la salida de la planta ha sido siempre inferior a 0,1 mg/L. 2. Oxidación química con permanganato de potasio Para la puesta en marcha de la planta con este sistema de oxidación se han estudiado las variables que influyen en la reacción de oxidación y por lo tanto los rendimientos de depuración y los parámetros de calidad del agua a la salida de la misma. La temperatura de operación en nuestro caso es una variable impuesta por el medio (temperatura ambiente), la agitación mecánica continua siendo de 60 rpm, y por lo tanto las únicas variables que pueden modificarse en este proceso son el pH de operación y la utilización de un coagulante químico. En la Tabla 5 se puede observar los resultados obtenidos al estudiar estás dos variables. De la tabla anterior se puede observar que el pH óptimo de operación se encuentra entre 4,10 y 5,57. El valor más bajo de la DQO final (en las condiciones indicadas anteriormente) se ha detectado al operar a un pH igual a 4,10, donde el volumen de los sedimentados obtenidos es superior que el obtenido a otros valores de pH estudiados. La poca influencia del sistema de filtración en el valor de la DQO a la salida de la planta se puede explicar teniendo en cuenta que el filtro con biomasa 4 residual orgánica lleva en funcionamiento más de 3 meses sin renovar o ser activado con un proceso de limpieza y secado. En la Tabla 6 se muestra la composición química media del agua a la salida de la planta. La DQO final es menor al valor exigido por la administración (< 1500 ppm).Este valor se puede reducir aumentando el consumo de oxidante y el tiempo de operación (operando a la misma temperatura). CONCLUSIONES a) Sistema Fenton de oxidación 1. El catalizador utilizado (FeCl3) contiene iones de hierro férrico lo que da lugar un ahorro en el consumo del oxidante (al evitarse oxidar los iones de Fe II a Fe III). 2. Los sedimentos obtenidos en el decantador son lodos de barro cremoso ricos en hierro. Estos lodos se recirculan a la balsa de agua residual para ser utilizados de nuevo en el proceso (reduciendo el consumo del catalizador). 3. Se obtiene un agua totalmente transparente sin malos olores y con un contenido en fenoles totales prácticamente nulo. 4. La planta piloto con este sistema de oxidación funciona perfectamente con un caudal de salida del orden de 3 m3 /hora (para las dimensiones actuales de los equipos). b) Oxidación química con permanganato de potasio 1. Se obtiene un agua transparente con un color débilmente amarillo sin malos olores y con un contenido en fenoles totales bajo. 2. La obtención de sedimentos ricos en dióxido de manganeso (MnO2) que aunque es un subproducto inerte es necesaria su futura gestión. 3. Este sistema de oxidación funciona perfectamente con un caudal de salida del orden de 2-3 m3 (para las dimensiones actuales de los equipos). Finalmente cabe destacar la versatilidad del diseño de la planta que hace posible trabajar con los dos sistemas de oxidación sin necesidad de realizar modificaciones en la misma. Por otra parte, actualmente la planta se encuentra en la fase de automatización, lo que permitirá su funcionamiento en continuo. Agradecimientos : Este Proyecto se ha podido llevar a cabo gracias al Programa de Operadores del Sector Oleícola, siendo financiado por el MAPA, UE y UNAPROLIVA. BIBLIOGRAFÍA Bigda, R.J.: ”Fenton’s chemistry: an effective advanced oxidation process”. J. Adv. Sci. Eng. 6 (3), 34-37 (1996). Eisenberg, G. M.: “Colorimetric determination of hydrogen peroxide”. Ind. Eng. Chem., 15, 327-328 (1943). Hodaifa G.: “Aprovechamiento de las aguas residuales de la industria oleícola en la producción de microalgas”. Tesis Doctoral, Universidad de Jaén, Jaén (2004). Martínez Nieto L., Rodríguez Vives S., Giménez Casares J. A., Lozano Peña J. L., Cobo Muñoz A., Ortega Membrive J., Hodaifa G.: Efluentes de la industria del aceite de oliva: Contribución al estudio de la composición y tratamiento de las aguas de lavado de aceituna y aceite”. En: “ Jornadas de Demostración y Transferencia de Tecnología” pp. 13-44, Infaoliva, Granada (2003). Martínez Nieto L., Rodríguez Vives S., Giménez Casares J. A., Lozano Peña J. L., Cobo Muñoz A J., Hodaifa G.: “Procesos oxidativos en el tratamiento de las Aguas de lavado de aceituna y de lavado de aceite” en Efluentes de la industria del aceite de oliva: Contribución al estudio de la composición y gestión como subproducto de las aguas de lavado de aceituna y aceite”.: “ Jornadas de Demostración y Transferencia de Tecnología”, Infaoliva, Cordoba (2004). Shanshan C., Chihpin H. “Aplication of a supported iron oxyhydroxide catalyst in oxidation of benzoic acid by hydrogen peroxide”. Chemosphere, 38 (12), 2719-2731 (1999). Walling C.: “Fenton’s reagent revisited”. Accounts. Chem. Res., 8, 125-131 (1975). 5 Catalizador Agente oxidante Aguas de lavados Agente base pH IC pH IC Coagulante Agua para riego Filtración Tanque de oxidación Tanque de neutralización Salida de lodos cremosos Decantador de separación Líquido-sólido Fig. 1 Esquema de flujo del proceso FOTOGRAFIA 1 :Vista general de la planta con con la balsa de aguas de lavado de aceite en primer plano. 6 FOTOGRAFIA 2: Comparación visual de agua de entrada y salida del proceso Tabla 1. CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES pH Conductividad mS/cm DQO mg O2/L Fenoles totales mg/L Fe mg/L Clmg/L SO 24− mg/L Balsa de acumulación de las aguas de lavado de aceitunas 2,28 2202,1 163,2 5,72 2552,6 473,0 Balsa de acumulación de las aguas de lavado de aceite 5,05 1,87 5196,7 486,6 16,0 970,8 511,1 Mezcla de aguas de lavado de aceite y aceitunas dentro del reactor, 1 v/v 6,10 2,25 2763,0 282,6 7,74 554,5 413,4 6,64 Valores medios, nº de muestras mínimo superior a 5. Tabla 2. CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS A LA SALIDA DEL REACTOR (Sobrenadante obtenido en el cono de Imhoff) pH 6,17 Conductividad mS/cm 4,02 DQO mg O2/L 1077,4 H2O2 residual g/L 0,615 Fenoles totales mg/L 90,1 Fe mg/L 5,87 Temperatura de operación ambiental entre 1-5 ºC, y tiempo de operación de 3 h Valores medios, nº de muestras mínimo superior a 5. Tabla 3. CARACTERIZACIÓN DE LOS LODOS DEL DECANTADOR Parámetro PH 6,42 Conductividad, mS/cm 4,52 Humedad y materias volátiles, % 93,6 Sólidos totales, % 6,4 Materia orgánica, % 2,42 Cenizas, % 3,96 7 CLmg/L 715,6 Mínimo Medio Máximo Tabla 4. CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS A LA SALIDA DE LA PLANTA DQO Fenoles Conductividad Mn Fe ClSO 24− pH mg totales mS/cm mg/L mg/L mg/L mg/L O2/L mg/L 6,29 2,28 385,3 < 0,001 0,70 302,0 297,0 0,694 7,37 3,91 661,1 0,005 1,67 834,4 365,2 1,27 8,28 4,56 954,5 0,1 2,50 1366,8 463,5 1,28 Valores medios, nº de muestras mínimo superior a 20. Temperatura de operación ambiental entre 1-5 ºC. Tabla 5 INFLUENCIA DEL PH Y LA COAGULACIÓN EN LA DQO FINAL Y LODOS OBTENIDOS Sobrenadante (cono de Imhoff) PH 2,55 4,10 5,57 DQO, mg/L DQO, mg/L (sin coagulante) (con coagulante) 986,5 900,0 918,4 941,1 898,0 895,7 Vsedimentados, mL* Vsedimentados, mL* (con coagulante) (salida de planta) 64 94 90 50 96 95 900 884 898 (sin coagulante) DQO, mg/L *Volumen determinado al pasar una hora de sedimentación. Coagulante utilizado FeCl3. Tiempo de operación es de 3 h. Temperatura ambiental entre 6 y 10 ºC. Tabla 6 CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS A LA SALIDA DE LA PLANTA pH Mínimo 6,96 Medio 7,17 Máximo 7,25 Conductividad mS/cm DQO mg O2/L Fenoles totales mg/L Fe mg/L Clmg/L 2,88 3,19 3,40 900,0 898,7 913,2 0,500 0,703 1,20 1,29 2,50 3,72 638,6 722,2 922,4 Valores medios, nº de muestras mínimo superior a 5. Temperatura de operación ambiental entre 5-10 ºC. 8 SO 24− mg/L 323,9 555,6 984,0 Mn mg/L 3,81 4,25 4,75