Memoria Descriptiva
La patente de Invención objeto de la presente memoria se refiere a un nuevo método de tratamiento de aguas residuales, tanto urbanas como industriales, basado en la utilización de intercambiadores iónicos naturales denominados zeolitas.
La presencia de contaminantes inorgánicos (amonio y fósforo) a altas concentraciones ha provocado efectos de elevado riesgo toxicológico: disminuación del oxígeno disuelto por la oxidación bioquímica del amonio a nitrato y nitrito, eutrofización de acuíferos, lagos, etc., generación de cloraminas, corrosión en metales y otros materiales utilizados en la construcción, etc.
Direntes métodos han sido propuestos para desplazar estos contaminantes del agua residual. Los más utilizados para el nitrógeno amoniacal han sido: aireación, nitrificación-desnitrificación biológica, e intercambio iónico. Aquellos para la eliminación del fósforo como fosfato incluyen su precipitación con: cal, sales de alumino o de hierro e intercambio iónico.
Los procesos de aireación han sido optimizados para ser económicamente ventajosos. Sin embargo, su uso se ha limitado debido a los problemas asociados con los encostramientos de carbonatos, actividad biológica en las torres de aireación, polución atmosférica, etc.
Algunos autores han sugerido como método más práctico el basado en los procesos de nitrificación-desnitrificación biológica; sin embargo, se requiere un exhaustivo control del pH, transferencia de oxígeno, adición de productos químicos (especialmente en las estaciones frías), etc.. Por otro lado, un sistema en tres etapas resulta excesivamente costoso, amén de que la gran cantidad de compuestos tóxicos residuales pueden inhibir el proceso de nitrificación.
El proceso que utiliza resinas de intercambio iónico cargadas con hidróxido férrico es económicamente atractivo dada la obtención de hidróxido amónico como producto final. Tiene la desventaja de utilizar resinas de costo considerables y corta vida media, teniendo que ser reemplazadas con frecuencia.
Por otro lado, la presencia de contaminantes orgánicos, así como microoganismos patógenos a bajas concentraciones, provoca efectos marcadamente nocivos en el ecosistema: producción de gases durante las transformaciones bioquímicas, aparición de compuestos tóxicos, inhibición de los procesos de oxidación biológica y química, etc...
Para la eliminación y/o reducción de estos contaminantes han sido propuestos, entre otros, diversos procesos aerobios: (a) lodos activos, (b) aireación escalonada, (c) lagunas aireadas, (d) filtros percoladores, (e) biodiscos, etc... Estos sistemas requieren un exhaustivo control del pH, temperatura y tiempo de agotamiento del lodo (en algunos casos). Además, se requiere una cantidad apreciable de ciertos nutrientes como nitrógeno, fósforo, calcio, magnesio y vitaminas. Son procesos relativamente costoso, siendo sólo factibles cuando se dispone de grandes superficies de terreno a bajo costo y cuando la calidad exigida al efluente no es muy estricta.
Como procesos anaerobios se distinguen, entre otros: (a) filtros anaerobios, (b) procesos anaerobios de contacto, etc... Los sistemas de depuración que utilizan procesos anaerobios requieren un mayor control de sus variables. Así, el tiempo de residencia es mayor, son necesarias altas temperaturas para que la velocidad del proceso sea suficiente, el sistema es más sensible a las cargas de choque, producen malos olores, la calidad del agua de salida no es alta, etc...
El procedimiento objeto de la presente Invención, viene a soslayar los inconvenientes anteriores, al mismo tiempo que da aplicación a un producto autóctono y natural.
Se trata, en síntesis, de la utilización de intercambiadores iónicos naturales denominados zeolitas. Las propiedades combinadas de intercambio catiónico y aniónico de las zeolitas naturales configuran un tipo de material polivalente, que puede funcionar como lecho mixto capaz de fijar a la vez especies catiónicas y aniónicas. Por otro lado, son capaces de actuar como filtros bacterianos donde tienen lugar fenómenos de filtración, adsorción, oxidación-reducción y de desarrollo de la biomasa en un soporte fijo. así, las zeolitas actúan como soporte, donde el agua residual sufre un proceso de estabilización biológica (mediante la fijación y crecimiento de las colonias bacterianas) y una reducción de los sólidos en suspensión por filtración.
El procedimiento consiste en la utilización de un reactor químico de percolación, con sección constante y flujo contínuo y constante de efluente (Fig.1) Este sistema consta de un reactor de teflón de 2.5 cm de diámetro interno y 25 cm de altura (3). Por la parte superior se introduce el agua residual (1), impulsada por una microbomba mecánica (2). En la parte interna del reactor se coloca el lecho zeolítico (4), con un tamaño de grano entre 0.5-2.0 mm. Se realizó un pretratamiento con H2SO4 O.25 N (relación sólido/líquido= 1/50) en sistema abierto, debido a la elevada saturación de sodio en el complejo de cambio de este material. Además, el agua residual utilizada fue sometida previamente a un proceso de filtración Primaria y Sedimentación.
La eficacia del tratamiento viene establecida por el balance de masa entre la entrada y salida del agua residual a través del reactor (5).
La efectividad de la capacidad de intercambio catiónico de una zeolita para un ión determinado está influenciada no sólo por la concentración de los iones competidores en disolución y en la propia zeolita, sino también por la selectividad de la misma por los diferentes cationes. Los estudios mostrados para la filipsita, zeolita mayoritaria en este material (60 %), han mostrado una mayor selectividad de la misma para los cationes de mayor radio iónico (Ba2+, Rb+, NH4+, Na+).
Los resultados experimentales han puesto de manifiesto una mayor selectividad de la filipsita para el ión amonio (Fig.2), cuya cinética de absorción presenta un comportamiento lineal. La curva del ión potasio muestra una pendiente negativa, como resultado del intercambio de este ión, presente en la composición química del lecho, por el amonio del agua residual, Los elementos alcalinos son desplazados del agua residual con alta efectividad, siendo mayor este procentaje para el sodio.
El lecho intercambiador presenta una respuesta positiva, incluso a bajas concentraciones, de los metales pesados determinados en el agua residual (Cd, Sn, Hg, Se, Pb, Zn), disminuyendo su concentración global en el efluente de la columna, hasta un 28 % (eq/1) de su concentración inicial.
El nivel de retención de fósforo (Fig.3) aumenta progresivamente hasta un máximo de 9 meq.100g-1, momento en elcual alcanza la concentración de saturación. El fosfato retenido está asociado al alumino extra-estructural de la filipsita, que ha emigrado hacia la superficie de la misma como consecuencia del tratamiento ácido inicial. La afinidad de la filipsita para el ión fluoruro es menor, pero nada desdeñable teniendo en cuenta la toxicidad del mismo a muy bajas concentraciones.
La eliminación de la materia orgánica es efectiva, como se observa en la figura 4. Las cinéticas de adsorción indican que el sustrato presenta, a los 30 días de percolación contínua, un bajo procentaje de saturación.
Coliformes totales, coliformes Fecales y Streptococcus fecales fueron casi completamente eliminadas del agua residual (Fig.5). Los valores de retención fueron inferidos del balance entre la entrada y salida de las especies bacterianas. Estos resultados muestran una mayor selectividad del sustrato para colis totales y Fecales. Este diferente comportamiento del lecho zeolítico está aso- ciado con el tamaño de las bacterias y de los poros zeolíticos.
Se observa una evolución paralela de la D.Q.O., D.B.O.5 y nutrientes minerales con los niveles de retención de las bacterias indicadoras de polución. Es decir, la porosidad del lecho y la fijación de nutrientes inorgánicos y orgánicos, contenidos en el agua residual, estimulan el crecimiento y actividad de la población bacteriana, siendo considerados factores determinantes del rápido desarrollo de un biofilm en el lecho. Este film de microorganismos no sólo está asociado a la filipsita, sino también al vidrio volcánico.
La fuerte retención de bacterias y materia orgánica por el material zeolítico, es responsable de la reducción de la superficie específica y volumen poral del lecho después del proceso de percolación (27 % y 33 %, respectivamente).
Descrita la naturaleza de la Invención y la manera de llevarla a la práctica, se hace constar que las disposiciones anteriormente indicadas son susceptibles de modificaciones de detalle, en tanto no alteren su principio fundamental, siendo lo que constituye la esencia de la referida Invención, reservándose los Peticionarios el derecho a obtener los correspondientes Certificados de adicción por las mejoras o perfeccionamientos que en lo sucesivo pudiera aconsejar la práctica, reivindicándose a título privativo las siguientes particularidades sobre las cuales ha de recaer la concesión del privilegio de la Patente de invención que se solicita, con arreglo a las siguientes
