Situación actual de las tecnologías de tratamiento de aguas residuales de la cokería

Thread Content

Resumen: Con el desarrollo industrial actual, el problema del tratamiento de las aguas residuales resultantes de la cokería se vuelve cada vez más importante. En particular en nuestro país, China es actualmente el mayor productor de coque del mundo. El problema del tratamiento de las aguas residuales de la cokería es aún más importante. Si las aguas residuales de la cokería se vierten en cantidades superiores a los límites permitidos, causarán un gran daño al medio ambiente. A continuación, se realizará un análisis de la situación actual en cuanto al tratamiento de las aguas residuales provenientes del proceso de cokerización. Se expondrán los métodos físico-químicos y bioquímicos utilizados para su tratamiento, así como las tecnologías empleadas en otros países. 1 Introducción Actualmente, el método más utilizado para tratar las aguas residuales provenientes del proceso de cokerización es el método de lodos activos convencional. Este método logra eliminar ciertas sustancias presentes en las aguas residuales, como los hidrocarburos y el cianuro. Sin embargo, su eficacia para eliminar el COD y el NH3-N es muy baja; de hecho, en algunos casos no es posible eliminarlos. La experiencia en la práctica de producción demuestra que las principales dificultades para tratar las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación son la eliminación de los compuestos orgánicos y del NH3-N. Dado que el amoníaco y los hidrocarburos aromáticos policíclicos son tóxicos e inhiben el crecimiento de los microorganismos, esto constituye un defecto en las técnicas utilizadas para tratar estas aguas residuales, lo que a su vez aumenta los costos de su tratamiento. Actualmente, los métodos más utilizados para tratar las aguas residuales de la cocción del carbón son los métodos físicos, químicos, bioquímicos y fisicoquímicos ； Actualmente, la mayoría de las plantas de cokificación utilizan principalmente métodos bioquímicos y físico-químicos para tratar las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. 2 Técnicas de pretratamiento de las aguas residuales de la cokería. Algunos de los compuestos orgánicos presentes en estas aguas residuales no son fácilmente biodegradables, por lo que es necesario utilizar técnicas adecuadas de pretratamiento. El método de pretratamiento más utilizado es la acidificación anaeróbica. Se trata de un proceso que se encuentra entre los procesos anaeróbicos y aeróbicos. Su mecanismo de acción consiste en que los microorganismos anaeróbicos realizan procesos de hidrólisis y acidificación, lo que permite modificar la estructura química de las sustancias orgánicas difíciles de degradar, convirtiéndolas en sustancias más fáciles de degradar. Tras el pretratamiento con acidificación anaeróbica de las aguas residuales de la cokería, se puede mejorar la capacidad de biodegradación aeróbica de los compuestos orgánicos difíciles de degradar, lo que crea condiciones óptimas para el posterior tratamiento biológico aeróbico. 3. Técnicas de tratamiento secundario: Actualmente, las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación se someten primero a un tratamiento preliminar mediante métodos convencionales, y posteriormente a un tratamiento secundario mediante desfenolización biológica. Sin embargo, incluso después del tratamiento mencionado, en las aguas residuales resultantes sigue siendo difícil que los parámetros como el **, el COD y el nitrógeno amónico cumplan con los estándares establecidos. Ante esta situación, en los últimos años académicos nacionales e internacionales han llevado a cabo numerosas investigaciones, desarrollando muchas técnicas bastante eficaces para tratar las aguas residuales de la cokería. 3.1 Métodos de tratamiento fisicoquímico 3.1.1 Método de adsorción El método de adsorción consiste en utilizar agentes adsorbentes para eliminar las sustancias contaminantes. El carbón activo posee buenas propiedades de adsorción y una química estable, por lo que es el adsorbente más utilizado. El método de adsorción con carbón activo es adecuado para el tratamiento avanzado de aguas residuales. Sin embargo, debido a la dificultad para operar los sistemas de regeneración del carbón activo y a los altos costos de funcionamiento de dichos dispositivos, no se ha generalizado su uso en el tratamiento de aguas residuales provenientes de la cokeraía. Shanxi Coking Group Co., Ltd. utiliza ceniza de caldera para tratar las aguas residuales de cocción provenientes de procesos bioquímicos. Tras el tratamiento de adsorción con ceniza de carbón, la tasa media de eliminación de contaminantes en las aguas residuales bioquímicas fue del 54,7%. El agua tratada, aparte del nitrógeno amónico, cumple con los estándares de las nuevas plantas de cokería de **primer nivel** en cuanto a los demás indicadores de contaminantes. Estos estándares son similares a los del método A/O, pero el costo de inversión es solo la mitad que en el caso del método A/O. Este método presenta costos de inversión y operación relativamente bajos; utiliza los residuos como materia prima, lo que le confiere buenas ventajas económicas y ambientales. Sin embargo, existen al mismo tiempo los inconvenientes de que el nitrógeno amónico en las aguas tratadas no cumple con los estándares y de que los residuos son difíciles de tratar. Liu Junfeng y colaboradores utilizaron el filtrado con escoria a alta temperatura, seguido de un tratamiento con resina de poros grandes marca Nankai H-103, para tratar aguas residuales de cokificación que contenían 520 mg/L de fenol y 3200 mg/L de COD. Después del tratamiento, el contenido de fenol en las aguas residuales fue de ≤0,5 mg/L, y el COD fue de ≤80 mg/L, cumpliendo así con los **estándares de emisión**. Huang Niandong y otros investigaron el papel de las escorias en la purificación de las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. Examinaron el impacto de diversos factores como el tamaño de las partículas, el pH y la velocidad de filtración de la solución en la capacidad de adsorción. Los resultados mostraron que, en un líquido que contiene 30 mg/L de fenol, a una velocidad de flujo de 4,5 mI/min, con un pH de 2 a 2,5 y a una temperatura de 25 °C, se logra una tasa de eliminación del fenol del 98%. 3.1.2 Utilización de los gases de combustión para tratar las aguas residuales de la cokería. El método “para tratar el amoníaco residual o todas las aguas residuales de la cokería mediante los gases de combustión”, desarrollado en colaboración entre el Instituto de Investigación en Construcción del Ministerio de Industria Metalúrgica y la empresa Beijing Guowei Da Environmental Protection, ya cuenta con **patente**. Esta tecnología elimina el amoníaco residual resultante de la cocción, quitándole el alquitrán y las partículas sólidas. Luego, ese amoníaco residual se introduce en los gases de escape para que se produzcan reacciones químicas y físicas adecuadas. El calor de los gases de escape hace que toda la humedad presente en el amoníaco residual se evapore. El amoníaco, a su vez, reacciona con el SO2 presente en los gases de escape para formar amonio sulfato. Esta tecnología patentada ya se ha aplicado con éxito en el proyecto de tratamiento de agua con amoníaco residual en la planta de cokificación del grupo Jiangsu Huaiyang Iron and Steel. Los resultados de la monitorización indican que todo el amoníaco residual proveniente del proceso de cokerización fue tratado, lo que permitió lograr una emisión nula de aguas residuales. Además, se aseguró que los gases de escape cumplieran con las normas establecidas. Los principales contaminantes emitidos a la atmósfera, como el amoníaco y los fenoles, representan entre el 1,0% y el 4,7% del total de contaminantes presentes en el amoníaco residual. Este método utiliza los residuos para tratar otros residuos; requiere menos inversión, ocupa menos espacio, tiene costos de operación bajos, ofrece buenos resultados en el tratamiento y presenta beneficios ambientales muy significativos. Se trata de un método que merece ser ampliamente difundido. Sin embargo, este método exige que la cantidad de amoníaco utilizado en el proceso de cokificación sea equivalente a la cantidad necesaria en los gases de escape. Esto limita, hasta cierto punto, el alcance de aplicación de este método. 3.2 Métodos bioquímicos: Los métodos bioquímicos consisten en utilizar las propiedades de oxidación, descomposición y adsorción de los microorganismos para tratar los contaminantes orgánicos presentes en las aguas residuales. Este es uno de los métodos más utilizados y eficaces en el tratamiento de aguas residuales. En los últimos años, se ha investigado y desarrollado el método de lodo activo, el método de membrana biológica, el lecho fluidizado biológico, las técnicas de tratamiento biológico con microorganismos fijados, así como las técnicas de desnitrificación biológica, abordando aspectos como los microorganismos, los reactores y los procesos industriales. El desarrollo de estas tecnologías ha permitido que la mayoría de las sustancias orgánicas sean sometidas a un proceso de biodegradación, lo que ha mejorado significativamente la calidad del agua resultante. 3.2.1 Método de lodo activo. El método de lodo activo consiste en hacer que los floculados biológicos y el lodo activo entren en contacto completo con las sustancias orgánicas presentes en las aguas residuales. Las sustancias orgánicas disueltas son absorbidas y adsorbidas por las células, y finalmente se oxidan para formar productos finales (principalmente CO2) ； Los compuestos orgánicos no solubles primero se convierten en compuestos orgánicos solubles, y luego son metabolizados y utilizados. Sin embargo, al utilizar esta tecnología por sí sola, es difícil que los parámetros como el COD, el BOD y el NH3-N en el agua tratada cumplan con los estándares establecidos. En particular, en cuanto al NH3-N, prácticamente no hay efecto de degradación. 3.3.2 Método de membranas biológicas: Los reactores de membrana biológica (MBR) tienen el mismo mecanismo bioquímico que los métodos tradicionales basados en lodo activo para eliminar las sustancias orgánicas y el NH3-N. La diferencia radica en que, en los métodos tradicionales, la separación entre el lodo y el agua se realiza en tanques de sedimentación. Por su parte, el dispositivo MBR extrae el agua mediante filtración por membrana, dejando el lodo atrapado en la cámara de reacción. Al utilizar el proceso MBR para tratar las aguas residuales de la cokería, se logra un aumento del 30% en la tasa de eliminación del COD, y un aumento del 50% en la tasa de eliminación del NH3-N, todo esto bajo las mismas condiciones de volumen de los tanques biológicos que en los procesos tradicionales. La tasa de eliminación de SS puede alcanzar el 100%. El método MBR presenta ventajas como su economía, simplicidad y eficiencia, además de una gran capacidad de tratamiento. Lo que es especialmente importante, es que permite lograr un tratamiento que elimine los contaminantes, evitando así una segunda contaminación. Este método ya se utiliza ampliamente en las plantas de cokificación de todo el mundo. La exitosa aplicación del proceso MBR en el tratamiento de aguas residuales de la cokeraía es de gran importancia para que las empresas siderúrgicas y de química del carbón puedan ahorrar recursos hídricos y reducir las emisiones de contaminantes en sus aguas residuales. 3.3.3 Tecnología de lechos biológicos fluidizados. La tecnología de lechos biológicos fluidizados es un método de tratamiento que combina la técnica de lodos activos convencionales con el método de membranas biológicas. El desarrollo de esta tecnología comenzó a principios de la década de 1970. Su portador se encuentra en estado de fluidización dentro del lecho fluidizado, lo que permite un contacto adecuado entre las tres fases: sólidos (membrana biológica), líquidos (aguas residuales) y gases (aire). Además, se producen colisiones intensas entre las partículas. La superficie de la biopelícula se renueva constantemente, por lo que los microorganismos permanecen en una fase de crecimiento activo. La tecnología de lechos fluidizados biológicos ha recibido una amplia atención por parte de los investigadores, gracias a sus ventajas como alta eficiencia en el tratamiento, gran carga volumétrica, rápida transferencia de masa y amplio rango de aplicaciones. 3.3.4 Tecnología de desnitrificación biológica. La tecnología de desnitrificación biológica se desarrolló a partir de las técnicas de tratamiento bioquímico convencionales. Fue inventada por primera vez en Canadá en la década de 1970, mientras que el Reino Unido fue el primer país en utilizarla en la práctica durante la década de 1980. Dado que el método tradicional de lodo activo tiene dificultades para eliminar los niveles de NH3-N y COD presentes en las aguas residuales, de modo que se cumplan los **estándares de emisión**, se han desarrollado técnicas de desnitrificación biológica como A/O, M/O, A/02 y SBR. El método A/02 es una extensión del proceso A/O; ambos pertenecen a la misma categoría de procesos de desnitrificación biológica basados en el principio del A/O. Wang Xianguo realizó investigaciones sobre el tratamiento de las aguas residuales de la cokería, utilizando la tecnología de desnitrificación A/O. Los resultados indican. El proceso A/O permite tanto la desnitrificación como la degradación de una gran cantidad de materia orgánica presente en las aguas residuales. Se trata de una técnica bastante eficaz para el tratamiento de aguas residuales; después de su aplicación, la calidad del agua tratada puede alcanzar, en general, los estándares de descarga de nivel **II**. El método A/O ofrece una mayor eficiencia en la eliminación de contaminantes en comparación con el método de lodo activo. Sin embargo, este método requiere un tiempo de retención hidráulica más largo, y su eficacia para eliminar los compuestos orgánicos difíciles de degradar presentes en las aguas residuales de la cokería no es muy buena. El proceso A/O es una tecnología de tratamiento biológico que fue desarrollada en la década de 1990. Esta tecnología añade una etapa de pretratamiento anaeróbico al proceso A/O. Mediante la alternancia continua entre condiciones aeróbicas y anaeróbicas, se logra degradar ciertos compuestos orgánicos difíciles de descomponer, como los aromáticos policíclicos. Así, se incrementa significativamente la tasa de eliminación de fenoles, cianuros y COD, lo que **mejora la biodegradabilidad de las aguas residuales**. Estudios de I. Vdazquez y colaboradores indican que, para un COD de 922. 1 980 mg/L; los fenoles volátiles son de 133,293 mg/L; y SCN- es de 176. 362 mg/L; NH3-N: 123. Con aguas residuales de cokería con un contenido de 296 mg/L, el proceso A2/0 permite una eliminación del 90,7% del COD y del 99,9% del NH3-N. La tecnología de tratamiento de aguas residuales por desnitrificación biológica A2/O, aunque presenta un buen rendimiento en la eliminación del COD y del NH3-N presentes en las aguas residuales provenientes de la cokeraía, aún así resulta difícil lograr que las aguas tratadas cumplan con los estándares establecidos. El proceso A/02 tiene como objetivo principal eliminar el COD y el NH3-N de las aguas residuales. El proceso principal del proyecto de tratamiento de aguas residuales de Xingang utiliza el proceso A/02. La fase de tratamiento biológico está compuesta por tanques A/02 y un tanque de sedimentación secundario. En el tanque O, se utilizan difusores para suministrar oxígeno al agua. La práctica ha demostrado que, con el mismo tiempo total de reacción, el sistema A/02 logra una mayor tasa de eliminación de COD y NH3-N en comparación con el sistema A2/O. Los niveles de COD y NH3-N en el agua residual permanecen dentro de los límites permitidos. Además, el sistema A/02 no requiere grandes cantidades de material biológico ni dispositivos para la distribución del agua. La planta de cokificación de Baosteel en Shanghái cambió su proceso de desnitrificación biológica MO por el proceso A/02. La experiencia en la operación de producción demuestra que el rendimiento del proceso mejorado es superior al del proceso A/O, y que los costos de operación se han reducido. En general, el método bioquímico presenta ventajas como la capacidad para tratar grandes cantidades de aguas residuales y su amplio rango de aplicación. Sin embargo, este método requiere instalaciones de gran tamaño, tiempos de retención prolongados, costos de inversión elevados, y exige condiciones estrictas en cuanto a la calidad del agua residual. 3.3.5 Técnicas de tratamiento bioquímico en el extranjero
Los investigadores nacionales e internacionales han realizado numerosos estudios sobre el tratamiento bioquímico de las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. Entre estas técnicas se encuentran el proceso SBR (reactor por lotes secuenciales), el proceso MBR (reactor biológico de membranas), los procesos A/O, el proceso A/O anaeróbico, así como técnicas de tratamiento con microorganismos altamente eficientes y fijados (procesos 3T-AF/BAF). También existen técnicas de refuerzo biológico. 3.3.5.1 Proceso SBR: Maran y otros han utilizado el proceso SBR para tratar las aguas residuales provenientes de la cokería. Estas aguas se someten a un pretratamiento por destilación, lo que permite eliminar el 96% del nitrógeno amónico (HRT=66 h). En el reactor SBR, con un HRT de 115 h, las tasas de eliminación del COD, los cianatos y los fenoles son del 85%, 98% y 99%, respectivamente. Al final, los valores de ρ(fenoles) son de 118 mg/L, ρ(SCN-) de 514 mg/L y ρ(COD) de 206 mg/L. Para el tratamiento de las aguas residuales de la cokería, el largo tiempo de retención hidráulica en el proceso SBR hace que los equipos sean muy grandes. Además, las sustancias altamente tóxicas presentes en estas aguas también pueden afectar la estabilidad del funcionamiento del sistema. 3.3.5.1 En el proceso A 2/O, Li y colaboradores compararon la eficacia del proceso A 2/O con la del proceso A/O en el tratamiento de aguas residuales provenientes de la cokería. Bajo condiciones similares de tiempo de retención hidráulica (HRT), estos dos sistemas lograron resultados casi idénticos en cuanto al tratamiento del COD y del NH3-N. Dado que el sistema A/0 incluye una fase de hidrólisis y acidificación, logra un mejor rendimiento en la eliminación del nitrógeno orgánico y del nitrógeno total en comparación con el sistema A/O. Según los estudios realizados por Qiu Xianhua y colaboradores [15], bajo condiciones óptimas, el sistema de membranas biológicas fijadas de tipo A/O logra resultados bastante satisfactorios en cuanto a la eliminación de carbono, la nitrificación y la desnitrificación. 4 Conclusiones (1) El método bioquímico presenta ventajas como una gran capacidad de tratamiento de aguas residuales, un amplio rango de aplicaciones, bajos costos de tratamiento y ausencia de contaminación secundaria. Por lo tanto, es el método más adecuado para el tratamiento de las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación ； Por su parte, los métodos de físicoquímica constituyen un complemento útil a los métodos bioquímicos. El uso de la sinergia de diversos métodos para tratar las aguas residuales de la cokería permite aprovechar sus ventajas respectivas, lo que contribuye a mejorar aún más la eficiencia del tratamiento. Por lo tanto, la combinación y uso conjunto de diversos métodos representa la dirección de desarrollo en las tecnologías para el tratamiento de aguas residuales de cokería. (2) Gracias a investigaciones y prácticas continuas, existen numerosos métodos para tratar las aguas residuales provenientes del proceso de cokerización. Estos métodos han dado buenos resultados en cuanto al tratamiento de dichas aguas. No obstante, también existen algunas desventajas: por ejemplo, el valor de COD en las aguas residuales apenas logra alcanzar los estándares de emisión de primer nivel, y los parámetros de calidad de las aguas resultantes no son estables. Por lo tanto, a medida que las exigencias ambientales se vuelven cada vez más estrictas, aún queda mucho trabajo por hacer para lograr una eliminación estable y de altos estándares de las aguas residuales provenientes del proceso de cokerización. Este es un problema que deberá abordarse en el futuro. 【Referencias】 Shan Mingjun, Lü Yanli, Cong Lei. Técnicas de tratamiento de aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. Beijing: Editorial de la Industria Química, págs. 30-31. Mo Tianlin, Xie Guoliang. Estudio preliminar sobre la acidez de las precipitaciones en la zona urbana de Nanjing. Acta Meteorológica, 1981(4): 10-21. Zhang Changming. Investigación sobre técnicas de purificación y reutilización de aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. Ingeniería Ambiental, 1999, 17(1): 16-19. Liu Junfeng, Yi Pinggui. Estudio sobre el uso del método de filtración y adsorción con resinas para tratar aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. Química del Carbón, 2000, 20(3): 59-62. Huang Liandong, Xia Changbin. Estudio sobre la adsorción del fenol presente en las aguas residuales por parte de los residuos finos de cokificación. Revista del Instituto Minero de Xiangtan, 2000, 5(2): 63-66. Instituto de Investigación en Construcción del Ministerio de Industria Metalúrgica y empresa Beijing Guoweeda Environmental Protection. Métodos para tratar los gases de escape que contienen amoníaco residual o todas las aguas residuales provenientes del proceso de cokificación. Patente nacional: 98101337.6.1998—04—08. Zhang Yanli, Li Xiaoling, Sun Zainan. Aplicación del proceso MBR en el tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria del coque. Boletín Ambiental de Heilongjiang, 2009, (1): 72–74. Li Zhiling, Ding Yu. Estudio sobre el uso de lechos biológicos fluidizados en el tratamiento de aguas residuales. Tratamiento Industrial de Aguas, 2008, 28(1): 18–21. Wang Xianguo. Aplicación de la tecnología A/O para la desnitrificación en el tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria del coque. Química y Industria de Guangzhou, 2009, 37(1): 127–129. I. Vdazquez, Rodríguez J., Marán E. Eliminación simultánea de fenol, amonio y tiocianato de las aguas residuales provenientes de la industria del coque.