Tratamiento de Aguas Residuales Industriales mediante TECNOLOGÍA DE ELECTROCOAGULACIÓN

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Autor: Ing. Armando Ciardini.

Nuestra empresa GREEN EXPERTS se dedica al desarrollo y fabricación de una tecnología de electrocoagulación personalizada para proyectos de tratamiento de aguas residuales. La electrocoagulación es un proceso electroquímico utilizado para generar iones metálicos y electrones en agua contaminada, crear reacciones REDOX para romper emulsiones, desestabilizar coloides y sólidos suspendidos, ajustar el pH para precipitar metales (los iones Fe++ o Al++ crean una masa floculenta estable), y permitir la eliminación mecánica de contaminantes mediante flotación de aire, sedimentación por gravedad o filtración mecánica.

La tecnología de electrocoagulación juega un papel importante en las aguas residuales industriales. Es un sistema totalmente automatizado que elimina el error humano y trata las aguas residuales, y reduce los parámetros según los requisitos del recorrido. Es el método de coagulación más poderoso. Ayuda a reducir la masa de DBO, DQO, color, metales pesados, dureza y SST.

Introducción

Escribir una breve historia sobre el proceso electrocoagulación (EC) y sobre mí es una idea antigua. Durante mi proyecto de investigación realizado para la preparación del diploma de ingeniero en 1992/1993, trabajé en la coagulación de ácidos húmicos (HA) en lecho fluidizado. Para mi investigación para el diploma de magíster, en 1995/1996, me pidieron que preparara membranas inorgánicas para el proceso de microfiltración utilizando bentonita. La idea era construir membranas de bentonita. Toda mi historia con el proceso EC comenzó en ese momento. Después de mi revisión bibliográfica, entendí que la bentonita está constituida por capas metálicas y negativas que están separadas por algunos espacios. Estas distancias interfoliares pueden contener algunos iones positivos. Estas características electrostáticas de la bentonita atrajeron mi atención sobre el uso de técnicas electroquímicas para purificar la suspensión de bentonita de sus iones indeseables antes de la preparación de las membranas de bentonita. Realizar experimentos electroquímicos simples usando ánodo, cátodo y aplicación de fuente de alimentación de corriente continua (CC) en un vaso que contiene suspensión de bentonita fue mi primer encuentro con lo que llamamos en nuestro laboratorio, a partir de 1996, proceso EC. Estos experimentos se realizaron en una época en la que Internet aún no era conocida en absoluto en mi país, Argelia, y los libros y artículos especializados recientes centrados en las tecnologías electroquímicas aún no estaban a nuestro alcance. Con mis alumnos trabajamos en suspensión de bentonita y solución de HA. También comparé entre la coagulación convencional y la EC. Durante mi preparación de doctorado, trabajé en la eliminación de microorganismos. Todas las investigaciones siguientes son consecuencia de los pasos anteriores. Por otro lado, la neutralización de carga, como principal mecanismo en la coagulación clásica, contribuyó a centrar mi atención en los procesos electroquímicos. De hecho, durante mi etapa de ingeniero, entendí que para la eliminación de HA mediante coagulación a través de lecho fluidizado, la neutralización de carga es el mecanismo clave. En otras palabras, un proceso de coagulación eficiente depende en gran medida de la neutralización de la carga antes del paso de coagulación de barrido. Durante el periodo 1993-1997 mis resultados encontrados en aplicaciones de procesos de coagulación fueron respaldados, por lo que la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) la llamó “coagulación mejorada”. La tecnología del agua convencional implica la inyección de productos químicos en el agua cruda. Esta terapia química tiene varias desventajas, como la toxicidad química y la formación de subproductos de desinfección (DBP). Estas cuestiones me empujaron a centrarme en tecnologías verdes para el tratamiento del agua. En las siguientes secciones se brinda una rápida revisión sobre la aplicación de la EC como técnica de eliminación electroquímica de microorganismos. Además, se presenta un resumen sobre el uso del proceso EC junto con la aplicación de campo magnético (MF) para la eliminación de materia orgánica.

Aplicación de EC en cultivo de Escherichia coli y dos aguas superficiales

Se llevaron a cabo experimentos de laboratorio para investigar la EC como electrodesinfección de aguas residuales artificiales contaminadas por especies no patógenas de Escherichia coli en cultivo discontinuo y dos aguas superficiales utilizando tres electrodos diferentes. Se encontró que los electrodos de aluminio eran más eficientes en la destrucción de células de E. coli en comparación con el acero inoxidable y el acero ordinario. Solo se necesitan treinta minutos para que la EC logre la eliminación total de las células de E. coli (figura 1). La EC ha demostrado la misma eficacia frente a las algas y los coliformes en dos tipos de aguas superficiales. Los principales mecanismos de la EC son la neutralización de la carga de los microorganismos mediante campos eléctricos y cationes metálicos, seguida de su flotación o sedimentación.

Fenómenos de desinfección electroquímica de microorganismos

Independientemente de que la desactivación de bacterias mediante diferentes medios de desinfección electroquímica se haya informado ampliamente en la literatura, la influencia de las variables del proceso y la concepción del reactor en el rendimiento de la destrucción no se ha comprendido bien. Además, un pequeño número de investigaciones se centraron en los mecanismos de desinfección de la EC. En mi revisión reciente me centré en los mecanismos electroquímicos de destrucción microbiana. Se examinan varias referencias relacionadas y pertinentes, y se revelan mecanismos claves. Se han sugerido algunos mecanismos para interpretar la letalidad de la aplicación electroquímica, que comprenden (1) estrés oxidativo y pérdida de vida celular debido a oxidantes producidos electroquímicamente y (2) permeabilización irreversible de las membranas celulares por el campo eléctrico colocado.

Figura 2. Fotografías de microscopía electrónica de barrido de células de E. coli en (a) cultivo fresco y después de (b) cloración a 5 mg/L durante 30 min, (c) ozonización a 10 mg/L durante 5 min, (d) la reacción de Fenton con 8,5 mg/L de H202 y 0,85 mg/Fe2+ en pH 4 durante 10 min, (e) desinfección electroquímica a 16 mA/cm2 durante 2 min y (f) desinfección electroquímica a 25 mA/cm2 durante 2 min.

Aplicación de AE en la Reutilización del Agua (HR)

No hay duda de que se invita urgentemente a la humanidad a poner a disposición de su creciente población, para uso potable, cantidades satisfactorias de agua de buena calidad. Hay un gran esfuerzo por parte de los especialistas en tratamiento de aguas para analizar las soluciones que la humanidad tiene a su disposición para responder a estos riesgos. El aporte de la reutilización del agua (RH) sería grande en el agua de la humanidad del mañana. La industria aplica ampliamente la RH para disminuir el consumo de agua limpia. El proceso de RH debe emplear aguas residuales tratadas mezcladas con agua superficial en una proporción determinada, dependiendo del grado de pureza del agua tratada y asegurando el efecto de dilución. La RH no debería en ningún caso utilizar únicamente aguas residuales, por razones de salvaguardia y por efectos psicológicos. Obviamente, la RH debería ser más sofisticada que el tratamiento de agua y el tratamiento de aguas residuales, ya que allí la contaminación de patógenos y la presencia de sustancias químicas pueden ser más elevadas. Dado que en el agua del caño se encuentra con productos farmacéuticos y sustancias cosméticas, ¿deberíamos apoyar una nueva formulación de tecnología de tratamiento del agua? Esto será factible si el tratamiento de agua/tratamiento de aguas residuales/RH se fusionaran en una tecnología de tratamiento de agua/aguas residuales altamente estandarizada, como tendencia futura. El proceso EC encontraría su lugar apropiado en la tecnología de tratamiento de RH debido a sus numerosos beneficios, como se muestra arriba, en términos de eliminación de patógenos y eliminación de materia orgánica.

Ósmosis inversa: una tecnología viable y ecológica

Inventada hace 60 años, la ósmosis inversa (RO) se convirtió en una operación unitaria frecuente en plantas de ingeniería química y ambiental. Hoy en día este proceso de membrana se produce en un intervalo más amplio de aplicaciones industriales, como la desalinización de agua de mar y agua salobre, el tratamiento de residuos municipales e industriales, la concentración de productos alimenticios, la producción de ultraagua pura para varias aplicaciones que comprenden la industria de semiconductores, y la recuperación de materiales importantes en las industrias química y petroquímica. La RO es un proceso interesante porque es simple, puede usarse para un amplio intervalo de problemas en diversos campos, es económicamente competitivo y no necesita variación de fase. La última característica es especialmente crucial para soluciones que responden al calentamiento, como productos alimenticios y materiales farmacéuticos. Como proceso físico, las membranas de RO se colocarían mejor después del proceso EC para una mejor eliminación de los iones disueltos.

Electrocoagulación: rendimiento y funcionamiento

El diagrama que se muestra en la figura representa el esquema del proceso general de electrocoagulación. Un sistema típico incluye un tanque de alimentación (1); la cámara de reacción con electrodos (2); un tanque de desarrollo (3), donde se completan las reacciones inicializadas dentro de la cámara de reacción; y una unidad de separación de lodos (4), específica para diversos tipos de efluentes tratados. El sistema instalado en el matadero de BMP no incluye el tanque de desarrollo, ya que el proceso se desarrolla íntegramente dentro del reactor y los lodos están listos para la separación inmediatamente después de salir del reactor. Hay dos tanques de separación de lodos (numerados 1 y 2 en la figura).

Capacidades del sistema

• Elimina metales pesados; • Elimina sólidos suspendidos y coloidales; • Desestabiliza el aceite y otras emulsiones; • Elimina aceites y grasas; • Elimina compuestos orgánicos complejos; y • Destruye y elimina bacterias, virus y quistes.

Beneficios

• Trata múltiples contaminantes; • Minimización de lodos; • Costo de capital significativamente menor que el de las tecnologías conservadoras; • Costo operativo significativamente menor que el de las tecnologías conservadoras; • Bajos requisitos de energía; • Generalmente sin adiciones químicas; • Bajo mantenimiento; • Atención mínima del operador; y • Resultados consistentes y confiables.

El pH inducido por electrocoagulación normalmente cambia hacia neutro. La principal reacción catódica es la reducción de iones de hidrógeno a gas hidrógeno (2H+ + 2e- = H2). La principal reacción anódica es la liberación de iones metálicos en solución (por ejemplo, 3Al = Al3+ + 3e-). Los ánodos se sacrifican durante el proceso. El agua residual pasa a través de una cámara con cátodos y ánodos. La corriente eléctrica se introduce a través de placas paralelas construidas con metales seleccionados para optimizar el proceso de eliminación. Los dos materiales de placa más comunes son el hierro y el aluminio. Según la ley de Faraday, los electrodos metálicos se sacrifican y se disuelven lentamente en el medio líquido. Los iones metálicos tienden a formar óxidos metálicos que atraen electromecánicamente los contaminantes desestabilizados. Los materiales de los ánodos (hierro, aluminio), espaciamientos y longitudes, amperaje aplicado, el voltaje y las características del agua residual (pH, potencial redox estándar, conductividad) se pueden variar y optimizar para obtener la máxima eficiencia de eliminación de contaminantes específicos. La polaridad de los electrodos se puede invertir periódicamente para ayudar en la limpieza de los electrodos. Después de que el agua residual tratada sale de la cámara de electrocoagulación, se permite que los coloides desestabilizados floculen y luego se separan en un sistema integrado. El lodo se puede deshidratar aún más utilizando un filtro prensa, un estanque de sedimentación u otras técnicas de deshidratación.

Automatización total

El proceso de electrocoagulación implica la automatización total del proceso de alimentación y el abandono del procesamiento por lotes.

Referencias bibliográficas

– Ghernaout, B., Ghernaout, D., & Saiba, A. (2010). Eliminación de      algas y cianotoxinas mediante coagulación/floculación: una revisión.   Desalinización y tratamiento de agua, Vol. 20, pp. 133-143.

– Ghernaout, D. (2017). Fenómenos de desinfección electroquímica de los microorganismos. EC Microbiology,

Vol. 9, pp. 160-169.

– Ghernaout, D., Badis, A., Ghernaout, B., & Kellil, A. (2008). Aplicación de electrocoagulación en cultivo de Escherichia coli y dos aguas superficiales. Desalinización 219, pp. 118-125.

– Ghernaout, D., Ghernaout, B., & Boucherit, A. (2008). Efecto del pH en la electrocoagulación de suspensiones de bentonita en lotes utilizando electrodos de hierro. J. Dispersion Sci. Tecnología. 29, pp. 1272-1275.

– Ghernaout, D., Ghernaout, B., Saiba, A., Boucherit, A., & Kellil, A. (2009). Eliminación de ácidos húmicos mediante tratamiento electromagnético continuo seguido de electrocoagulación por lotes utilizando electrodos de aluminio. Desalinización 239, pp. 295-308.