Alberto Bouzas Blanco - Bases d'enginyeria ambiental

En la digestió anaeròbia la degradació es du a terme mitjançant un tractament en absència d’oxigen en el qual es desenvolupa un població microbiana capaç de transformar la matèria orgànica en CO2 i CH4. N’existeixen diferents configuracions, però la més emprada és la de dues fases. En un primer tanc té lloc la digestió pròpiament dita. Cal escalfar el sistema per treballar a la temperatura adequada i mantenir el medi en suspensió. En la segona fase té lloc l’emmagatzematge i la concentració del fang digerit, i continua el procés de fermentació en l’estratificació del fang. El líquid sobrenadant produït es recircula al principi de la planta.

Tal com es pot observar en la figura 1.2, abans de dur a terme la digestió dels fangs cal disminuir la fracció líquida amb l’objectiu de minimitzar el volum de matèria que es processa (i, per tant, abaratir la digestió posterior). Aquesta operació física s’anomena espessiment. Els fangs es poden espessir de diferents formes, entre les quals hi ha les següents:

–Espessiment per gravetat. Es du a terme en equips de disseny molt similar als decantadors de la línia de tractament d’aigua. Aquest sistema és més adequat per a la concentració del fang primari.

–Espessiment per flotació. En aquest cas el fang es concentra en la superfície mitjançant la introducció d’aire dissolt. L’operació consisteix a dissoldre aire en aigua a alta pressió i despressuritzar l’aigua al tanc de separació de forma que s’hi produïsca un deslliurament d’aire en forma de bombolles molt petites que arrosseguen els sòlids cap a la superfície, des d’on s’extrauen. Aquest sistema resulta més efectiu en el fang secundari, és a dir, el que prové del tractament biològic.

L’aigua que se separa dels fangs presenta un alt contingut de matèria orgànica, per la qual cosa cal recircular-la al principi de la planta.

La deshidratació i l’assecament són operacions físiques unitàries que serveixen per reduir la humitat o el contingut d’aigua dels fangs estabilitzats, pas previ a la seua destinació final. L’eliminació d’aigua del fang digerit és necessària com a pas previ en qualsevol de les opcions que es trie per a la destinació final dels fangs: cal reduir la producció de lixiviats si es destinen a un abocador; cal augmentar el poder calorífic si s’empra la incineració, i cal reduir els costos de transport en qualsevol de les opcions.

L’esquema que es presenta en la figura 1.2 és només un cas concret entre les múltiples variacions que podrien plantejar-se per al tractament de l’aigua residual. Entre les diverses alternatives a l’esquema proposat es poden apuntar les següents:

–Digestió aeròbia dels fangs (estacions depuradores amb poc volum de tractament).

–Treballar amb el reactor amb alta càrrega i prescindir de la decantació primària.

–Diferents opcions de reactor biològic: mescla completa, flux de pistó.

–Mesclar fangs primaris i secundaris abans de l’espessiment.

–Deshidratar el fang mitjançant eres d’assecament, si l’espai disponible ho permet, amb la qual cosa es pot obtenir un considerable estalvi energètic.

–Tractament fisicoquímic amb addició de reactius que potencien la floculació de material col·loïdal i, per tant, l’augment de la capacitat d’eliminació del decantador primari.

–Introduir sistemes biològics avançats per tal d’aconseguir l’eliminació de nutrients (nitrogen i fòsfor) que causen els problemes d’eutrofització tan freqüents al nostre entorn, amb l’exemple paradigmàtic de l’Albufera.

1.3 Operacions unitàries. Definició i classificació

La resolució d’un problema ambiental generat per un corrent contaminant presenta múltiples alternatives possibles. Hi ha una gran quantitat i varietat de processos de tractament, però tots ells estan constituïts per un nombre relativament petit d’etapes físiques, químiques i/o biològiques comunes a diferents processos.

Normalment, el nombre d’etapes de tipus físic és sempre superior al d’etapes químiques o biològiques, fins i tot hi ha processos de tractament en què no hi ha cap etapa de reacció. Si s’aprofundeix en l’estudi d’aquestes etapes físiques, es pot comprovar que el seu nombre és limitat i que, a més a més, es repeteixen en diferents sistemes de tractament. Aquesta observació ha donat lloc al concepte operació bàsica o unitària, com normalment s’anomenen aquestes etapes en la indústria química i que l’enginyeria ambiental ha adoptat a partir d’aquesta. Des del punt de vista pedagògic resulta molt més útil i senzill estudiar les operacions bàsiques (limitades) que els sistemes complets de tractament (infinites varia­cions). Si es coneixen les diferents operacions unitàries que la tecnologia actual posa al nostre abast, es podran acoblar de tal forma que es puga dissenyar un sistema de tractament per a un cas concret. Algunes d’aquestes operacions –les més importants– són les que veurem en aquest apartat.

El concepte operació bàsica o unitària, que l’enginyeria ambiental pren de l’enginyeria química, es va encunyar a l’inici del segle xx. La importància d’aquest concepte rau en el fet que a partir d’ell es va poder arribar a una primera sistematització en l’estudi dels processos de transformació. Una mateixa operació s’aplica a diferents processos amb independència del sistema considerat. Per exemple, una operació de filtratge del fang produït en una estació depuradora d’aigües residuals per disminuir el seu contingut d’aigua és anàleg a un filtratge per a l’eliminació de partícules sòlides d’una emissió atmosfèrica.

L’aprofundiment en l’estudi d’aquestes etapes físiques, gràcies a la intensa recerca en aquest camp, ha permès arribar a la conclusió que totes les opera­cions bàsiques responen a tres fenòmens físics anàlegs, denominats fenòmens de transport, els quals es regeixen per lleis que són essencialment similars. En totes les operacions bàsiques es produeix el transport d’almenys una de les tres propietats: matèria, energia i/o quantitat de moviment. Aquests fenòmens de transport (que es poden produir tant al si de sòlids i de fluids com entre sòlids i fluids) són conseqüència de l’existència de gradients de concentració d’aquestes propietats i representen la tendència del sistema a arribar a un equilibri.

Així, per exemple, en el cas de la circulació de fluids l’energia que es dissipa per fregament es tradueix en un transport de quantitat de moviment entre zones del fluid que es desplacen a diferent velocitat. El transport de calor té lloc entre regions del sistema amb diferent concentració energètica, és a dir, amb diferent temperatura. El transport de matèria representa el canvi de composició d’una mescla (líquida o gasosa) com a conseqüència del desplaçament d’algun o d’alguns dels components de les zones on la seua concentració és major a zones on és menor.

És important fer una distinció entre els processos de transport de les tres propietats al si d’un fluid i el transport pel desplaçament del fluid. El primer, tal com s’ha indicat, és conseqüència exclusiva de l’existència d’una força impulsora (un desequilibri o gradient de concentracions) que tendeix a l’equilibri; el segon és conseqüència simplement del moviment del fluid.

Els tres fenòmens de transport (quantitat de moviment, matèria i energia) es produeixen gairebé sempre simultàniament, però la seua importància relativa varia en cada cas de forma que el més lent és el fenomen que controla el procés, és a dir, el que determina la velocitat global del procés i, en conseqüència, el que determina la grandària de l’equip en el qual es desenvoluparà l’operació concreta. Així, les operacions unitàries es poden classificar segons el fenomen que controla el procés: