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estudios de tratabilidad y la necesidad de llevaRlos a cabo

     Las motivaciones para incluir un capítulo especialmente dedicado a estudios o ensayos de tratabilidad, biotratabilidad o biodegradabilidad han sido múltiples.  Por un lado la precariedad manifiesta que cotidianamente registramos en el análisis de proyectos y plantas en operación así como la frecuente pero fundamentalmente errónea concepción de declarar el trabajo por terminado una vez terminada la construcción de la planta de tratamiento de efluentes.  Al igual que probablemente todo otro proceso, sea en producción, refrigeración, enfriamiento, potabilización es a partir de ese momento en que realmente el trabajo comienza.  Hemos visto mediatizadas o directamente ociosas para el próposito original planteado, i.e. prestar determinado servicio, demasiadas instalaciones en muchos casos inversiones millonarias.

     Con este capítulo de estudios de tratabilidad procuraremos responder a la frecuente pregunta:  “Hemos invertido una gran cantidad de dinero en la planta – por qué no funciona?  Tenemos problemas con los vecinos, las autoridades, y nuestra especialidad es producir tal cosa…”  

     Para qué construir una planta o instalar una máquina que no cumpla su cometido?  Los ensayos de tratabilidad en sus distintas formas, e.g. ensayos y prototipos de laboratorio, minireactores y plantas piloto in situ, colaboran a poder racionalizar con más felicidad los planes de resolución de instancias ambientales.

DEFINICION DE TRABAJO: TRATABILIDAD

     Adjuntaremos al significado de tratabilidad un espectro más amplio y no exclusivamente o simplemente su definición biológica, que aunque fundamental no siempre trasciende a las otras partes involucradas, sean las razones que sean.  A riesgo de cualquier simplificación vamos a definir tratabilidad a encontrar una pareja efluente dado y contexto adecuado de manera de que “la instalaciónn funcione correctamente”, sea en la etapa de diseño de la planta o una instancia de “planta heredada” que debemos hacer funcionar.  Entre otras cosas, esta definición macro estará apoyada en la acepción biológica específica, i.e. desarrollos de biomasa (fundamentalmente bacterias) a partir de sustrato soluble en los distintos contextos involucrados.

     Por lo tanto, cabe en este capítulo de estudios de tratabilidad presentar el tema tanto a nivel “macro” de la planta como a nivel “micro”, digamos con una óptica más a través de instrumentos o laboratorio.  Es en la consideración simultánea de ambas “dimensiones” que podremos cumplir la misión propuesta, i.e.  encontrar una pareja efluente dado y contexto adecuado,  económicamente factible, sea en la etapa de diseño o sea ya en la etapa de operación.  Para facilitar la lectura, concentraremos la visión “macro” en esta sección de fundamentos y ejemplificaremos extensivamente análisis posibles en la sección de aplicaciones.

CONSIDERACIONES DE TRATABILIDAD DE NIVEL TIPO MACRO EN EL DISEÑO

      Aunque parezca increíble, las largas consideraciones que incluímos a continuación no son estrictamente parte de la definición convencional de tratabilidad pero sí de la definición propuesta anteriormente y que es la que en realidad tenemos la responsabilidad, i.e. dado un efluente o agua residual real proponer o acondicionar un contexto que cumpla con determinados objetivos de descarga, sea DBO5, P, temperatura, cromo, cloruros, nitratos, selenio,  por mencionar algunos constitutivos.

      De todas maneras será una buena decisión comenzando por recordar que el trabajo, i.e. conversión del material orgánico disuelto o sustrato, es llevado a cabo por microorganismos (i.e.. bacterias, e.g. heterótrofas, autótrofas) , no por máquinas (e.g. aireaores, biodiscos).   Como resultado de dicha observación tendremos las siguientes traducciones, a saber:

1.      para aplicaciones aeróbicas empleando tiempos de aireación/residencia de biomasa relativamente breves (hemos visto hasta 10 minutos!) tendremos aire pero no microorganismos; absurdo;

2.       la determinación de requerimientos de oxígeno puede estar equivocada; sostenga la respiración cinco minutos; por qué piensa que algunos microorganismos pueden hacerlo?

3.      el diseño o la operación con densidades de potencia insuficientes puede no lograr niveles de mezcla adecuados para el proceso unitario en cuestión, sea aireado de la ecualización, el propio reactor principal o los bloques o lagunas de pulimiento (“polishing”); cada bloque tiene sus niveles de densidad de potencia recomendados, e.g. desde digamos 8-10 HP por megagalón de tanque hasta 100, 200 …500 HP por megagalón de tanque; puede ocurrir que tengamos aire pero muy baja o insuficiente interacción.entre los constitutivos de interés, microorganismos, sustrato, nutrientes, oxígeno.  Tampoco hay que irse al otro extremo: hemos recibido pliegos (de empresas privadas!!) especificando niveles de potencia diez (10) veces el valor usual y decididamente fuera de los rangos de las curvas para cualquier tipo de sistema de aireación, e.g. digamos entre 0.5 y 5 HP per 1,000 cu.ft.  

4.      prácticamente todos los procesos unitarios involucrados requieren o recomiendan una alimentación uniforme, sea del punto de vista hidráulico o orgánico; la falta de previsión de este punto, irregularidad en las cargas o la ausencia o deficiencia del bloque ecualizador puede ocasionar un trastorno severo en el proceso biológico, mediatizádolo e incluso paralizándolo;  véase la gran irregularidad de cargas hidráulica, orgánica y perfil de temperaturas experimentadas por una pequeña industria de cerveza y la importancia de preveer el acondicionamiento de manera de procurar homogeneizar las condiciones de alimentación.

5.      uniforme o no uniforme, las poblaciones biológicas además tienen sus límites, esto es no es posible enviar al reactor biológico niveles indiscriminados de distintos constitutivos so pena de nuevamente mediatizarnos o paralizar la actividad biológica; una especificación parcial/sensata para requisitos de ingreso podría ser

•  sólidos suspendidos no mayores a 125 mg/L, 

• aceite y grasas no mayores a 50 mg/L, 

• nitrógeno amoniacal no mayor a 1.6 g/L, 

• metales pesados no mayor a 1 mg/L,

•  fenoles no mayor a un rango 70-160 mg/L, 

• sales disueltas no mayores a 16 g/L, 

• variación orgánica no mayor a 4:1, así como 

• consideraciones de neutralidad.  

Un proceso anaeróbico tendría un listado similar.  En los casos en que tuviésesmos valores superiores a los mencionados deberíamos pretratar el efluente.

6.      directamente puede haber tecnología inapropiada o deficiente, usualmente trazable a fantasias de rendimiento en catálogos y literatura commercial y/o deterioro/de-rating progresivo de capacidad con el tiempo, e.g. factores biofouling pueden alcanzar bajas de rendimiento de ca. 20% en unos pocos meses.  Estos puntos deben contemplarse en el momento de diseño de la planta bajo la legendaria y responsible concepto de márgen de seguridad, cualquier valor entre 1.3x y 1.5x.

7.   caracterización incompleta y por tanto diseño viciado de la planta al no realizar una adecuada evaluación de los constitutivos presentes en el efluente; a modo de ejemplo, un diseño de planta de tratamiento de efluentes basado exclusivamente en la magnitud de la DBO5 puede ser susceptible de baja performance por nitrificación espontánea, i.e. oxígeno previsto para remoción de DBO5 por parte de las bacterias heterótrofas es secuestrado, de dares las condiciones favorables para ello, e.g. largos tiempos de residencia y valroes relativamente altos de temperatura, por poblaciones nitrificantes; recordemos que estas últimas prácticamente asimilan cantidades de oxígeno del orden de cinco veces su masa por lo que el impacto en la planta y el valor de salida de DBO5 es indisimulable

EJEMPLO DE LA VIDA REAL: PEQUEÑA INDUSTRIA CERVECERA

      Los tres gráficos de más abajo documentan las grandes oscilaciones experimentadas por una pequeña y aún bien disciplinada planta de elaboración de cerveza.  Véase como se procura ecualizar el proceso tanto a nivel hidráulico como orgánico  y como lamentablemente los momentos de mayores cargasorgánica volumétrica no necesariamente coinciden con perfiles favorables de temperatura - de todas maneras hay un claro marco/rango de operación térmica.  Este caso es bastante ilustrativo de la gran variabilidad de los procesos industriales y la necesidad de tener previstos mecanismos de ecualización u homogeneización conservadores.  Nadie hace esto simplemente por construir obra civil.

CONSIDERACIONES DE TRATABILIDAD DE NIVEL TIPO MACRO EN LA OPERACION DE LA PLANTA

     Para dar una pausa a la lectura y tal vez también para presentar una óptica más cercana al propio proceso biológico, agruparemos otro número de observaciones pensando si se quiere un poco más ya en la operación misma de la planta.  Si facilita la comprensión del tema, digamos que la lista presentada anteriormente sea más aplicable o referible al momento del diseño de la planta.  Comentemos entonces ahora aspectos fundamentales asociados con el propio andamiento biológico y control del proceso, a saber

1. En gran medida nuestro éxito en el control del proceso biológico radicará en la felicidad que hayamos tenido para caracterizar y por lo tanto definir el problema a resolver.  Si no contamos con una adecuada caracterización sostenida  de tanto de los constitutivos como presencia y actividad de biomasa, qué chances reales tenemos que poder controlar el comportamiento del sistema?  En terminos detectivescos, como podemos lograr aprehender posibles responsables sin conocer la “cara” de nuestro enemigo, al menos aproximada??   Una descripción insuficiente sólo redundará en golpes en el vacío.  Dedicaremos los siguientes puntos 2. y 3. para ilustrar un poco la diversidad involucrada
2. Aún para delinear preliminares y prever posibles inhibiciones del proceso natural, en primera instancia estaríamos enfocando en una buena indicación que qué constitutivos están presentes retratados bajo ensayos de DBO5, DQO, con sus correspondientes fracciones solubles, y presencia de otros materiales, e.g. nitrógeno amoniacal, TKN, fósforo, aceites y grasas, sólidos suspendidos.  Será importante, según el tipo de industria, contar con valores de otros constitutivos como ser por ejemplo sulfatos en el caso de contemplar alternativas anaeróbicas para industrias de aceite, o materiales recalcitrantes o biodegradables muy lentamente, e.g. compuestos orgánicos como celulosa o hidrocarburos saturados de largas cadenas que si bien están disponibles como sustrato se consideran convencionalmente nobiodegradables por el factor mencionado, i.e. lenta biodegradación, al menos en los plazos usuales de plantas convencionales
3. Cada sector industrial tendrá presencias de constitutivos particulares como puede ser sulfuros en aguas residuales de curtiembres, detergentes, desinfectantes y/o agentes de limpieza (e.g. anilina, fósforo),  especialmente en industrias de alimentos, pesticidas (e.g. carbofurano, carbaril, aldicarb), desinfectantes (e.g. compuestos amonio cuaternario).  Otras industrias, e.g. farmacéuticas, podrán exhibir cantidades importantes de surfactantes, según el tipo con mayor o menor dificultad de tratamiento.  Finalmente industrias, e.g. relacionadas con petróleo, pueden reportar presencia de fenol, derivado del benceno tratable tanto aeróbica como anaeróbicamente en condiciones apropiadas.  Otras preciosuras pueden incluir MTBE, BTEX               

MAS ALLA DE LAS PAUTAS MACRO - EL AUXILIO ANALITICO 

     Puede ocurrir que habiendo hecho un muy buen trabajo en la fase de diseño y un muy buen trabajo en la fase de operación aún ocurran apartamientos de las expectativas de remoción.  Podríamos decir, hemos revisado casi todas las pautas de diseño macro así como casi todas las pautas de operación y sin embargo la planta no funciona como esperábamos.  Esta situación se presenta clásicamente en la incorporaciones de nuevas actividades del polo industrial  o en  plantas existentes en las cuales por ejemplo el régimen de producción ha sido cambiado, ( i.e. la mezcla de productos) respondiendo a demandas variables del mercado, y la planta de tratamiento, por ponerlo de alguna manera, queda en "off side."

     Sea para el diseño inicial de la planta, o la asimilación de nuevas o mayores cargas afortunadamente existe una impresionante batería de recursos para abordar la resolución sobre bases racionales.  De la misma manera que hoy en día se lleva la contabilidad empresarial (de doble entrada) bajo los cánones publicados en 1494 por Fra Luca Pacioli obviamente con el auxilio de las computadoras, el ingerniero moderno puede pensar en trabajar con niveles de medición, caracterización, diseño y monitoreo  mucho más sofisticados que digamos la última edición del "Metcalf & Eddy."

HERRAMIENTAS MODERNAS       

     No es realmente nada nuevo el empleo de una variedad de herramientas para el diseño y operación exitosa de plantas de tratamiento de aguas residuales. Hoy en día podemos llevar adelante en los laboratorios desde simples estudios o ensayos en discontínuo con unas pocas horas de duración hasta estudios empleando  reactores contínuos (a escala de laboratorio) extendiéndose por períodos más prolongados y por ejemplo experimentdo con cuatro escenarios diferentes de edad de lodos.  Ya en la planta podemos pensar en instalar una planta piloto, bastante homotética a la geometría definitiva, y/o monitorear excelentemente el estado de cualquier instalación a escala de planta.

     La gran "diferencia" es la diponibilidad de toda suerte de auxilios electrónicos y medición para poder prácticamente mirar lo que está pasando en tiempo real, en oposición a digamos el clásico muestreo diferido, ensayos batch y posterior interpretación.  Debido a los avances de las tecnologías, de ahora en más aumentaremos considerablemente el contenido "gráfico" de la presentación para simular de alguna manera la forma de trabajar más contemporánea mediante el empleo intensivo de instrumentos.    

CURVAS Y GRAFICOS

     El gráfico que presentamos a continuación, básicamente documenta el comportamiento de distintos escenarios reflejados según la naturaleza del líquido analizado.  La curva verde, rotulada "Control" documenta la evolución de un proceso en el cual el consumo de oxígeno a sido "normal", progresivo y de acuerdo a lo que sería el comportamiento natural de la muestra analizada   A grosso modo presentamos el sustrato a una biomasa conocida y registramos el consumo de oxígeno.  La curva roja, rotulada "Con Período Adaptación" nos muestra un sustrato que requiere una aclimatización, probablemente con generación de enzimas especializadas, para progresar biológicamente hablando recién pasado los dos días de contacto.  La curva azul rotulada "Inhibición", a menudo también referido como biodegradación parcial,  indica una clara dificultad del proceso biológico para llevar a cabo la conversión biológica.  La última curva simplemente manifiesta el consumo debido al cultivo empleado.

     Con mayor o menor "complejidad", casi la totalidad de los instrumentos especializados producen gráficas de este tipo, sea el consumo acumulado prorgesivamente o la expresión de la derivada primera, correspondiente a la tasa de consumo, e.g. medida en mg/L hr.

Prácticamente la sección de Aplicaciones constará en su casi totalidad en la presentación de gráficas similares de distintos distintos sectores industriales, e.g. industria farmacéutica, industria papelera, petroquímica/refinería, industria de carne, lácteos, cervecería 

ESTUDIOS DE TRATABILIDAD EN CONTINUO

     La figura de más abajo muestra una configuración de reactores contínuos a efectos de implementar, a escala real, un sistema de remoción biológica de nutrientes, específicamente empleando una celda anaeróbica para remoción de fósforo, una celda anóxica para remoción de nitrógeno y la clásica celda óxica por todos conocida, i.e remoción de DBO5 y nitrificación.  El ejemplo ilustra una de las tantas configuraciones alternativas para remoción biológica de nutrientes.  Claramente se trata de una "instalación" a escala laboratorio, monitoreable con instrumentos que graficarán y presentarán los resultados como vimos más arriba y en la sección Aplicaciones en detalle para distintos sectores industriales.  

ESTUDIOS DE TRATABILIDAD:  PLANTA PILOTO EN EL CAMPO

     En este caso vemos una configuración de planta piloto para la evaluación de alternativas anaeróbicas, un filtro anaeróbico en este caso.  El reactor "principal" de diámetro apenas 90cm y altura próxima a poco más de 6 metros, con sus distintas conexiones de media y una pulgada está claramente orientado a relevar conclusiones de diseño ya prácticamente en la "recta final" y rumbo a la escala definitiva.  Extremadamente controlado, véase el detalle de los bloques de neutralizado, homogeneización, purga de lodos y redundancia de equipamiento.