Читать книгу Bases d'enginyeria ambiental - Alberto Bouzas Blanco - Страница 6

1. Conceptes generals

1.1 Quina és la funció de l’enginyeria ambiental?

La titulació i la professió d’enginyer ambiental han aparegut en l’àmbit internacional molt recentment –dècada dels 70 del segle xx– a partir, en algunes universitats, de la reorientació i l’especialització dels estudis d’enginyeria sanitària, i en d’altres a partir de l’enginyeria química. Aquesta joventut en l’àmbit acadèmic no significa que no s’hagen adoptat solucions tecnològiques en els problemes ambientals des de l’antiguitat.

Els orígens d’allò que grosso modo es pot anomenar enginyeria ambiental es remunten a l’antiguitat clàssica. La cultura grega fou la primera a relacionar de forma empírica la manca d’higiene amb la proliferació de malalties. Aquesta constatació, junt amb el desenvolupament tecnològic dut a terme per la civilització romana posteriorment, féu possible l’existència de ciutats de grans dimensions durant el domini romà. Així, la ciutat de Roma assolí al començament de la nostra era una població propera al milió d’habitants. Una concentració urbana d’aquestes dimensions només és possible amb un sistema d’infraestructures que proporcione aigua fresca a la metròpoli i transporte fora de la ciutat els residus generats. El govern romà n’era conscient, de forma que tota una xarxa de conduccions i aqüeductes transportaven aigua de forma contínua a Roma, on es distribuïa a la multitud de fonts i banys públics al servei dels ciutadans. L’aigua corrent arribava fins i tot als habitatges de l’aristocràcia. Per altra banda, la ciutat disposava d’una xarxa de clavegueres que transportaven els residus generats fins al Tíber.

Amb la caiguda de l’Imperi romà es va produir al món occidental un declivi de la salut pública que es va perllongar fins ben entrat el segle xix. L’elit dirigent no percebia com a responsabilitat pròpia el manteniment de les instal·lacions adequades. A les ciutats de l’Europa medieval les aigües residuals i els residus sòlids eren abocats directament al carrer. Aquesta situació d’insalubritat impulsà la propagació de malalties, que assoliren nivells descomunals al segle xiv amb les epidèmies de pesta que arrasaren tot el món occidental. Malgrat els grans avanços mèdics en anatomia i en cirurgia al llarg del Renaixement, la conjuntura en qüestions de salut pública es mantingué més o menys inalterable.

L’aparició de grans aglomeracions humanes al voltant dels centres de producció, com a conseqüència del desenvolupament de la revolució industrial, donà lloc a una situació insostenible: encara en ple segle xix els residus domèstics, líquids i sòlids, eren abocats al carrer, on es podrien i es dispersaven. En front d’aquesta adversitat, al Regne Unit es duen a terme alguns estudis amb la finalitat de trobar solucions als greus problemes de salut de l’època. En aquest sentit, cal subratllar que el problema es considerava econòmic, pels efectes sobre la producció industrial, més que social. Cal tenir en compte el context històric: en una època en la qual la doctrina del laissez faire del capitalisme salvatge s’entén gairebé com una llei natural, les institucions encara no han adquirit la responsabilitat en els problemes de salut pública.

Un punt d’inflexió de gran importància respecte a la salut pública és l’informe de Sir E. Chadwick de 1842, Enquiry into the Sanitary Condition of the Labouring Population of Great Britain. Entre les conclusions d’aquest document destaca la importància de buscar l’ajut de la ciència de l’enginyer, no del metge. Entre les solucions que l’enginyeria pot aportar a la salut pública, segons aquest informe, destaquen:

–Equipar cada allotjament amb aigua potable.

–Eliminar l’aigua residual dels habitatges i recollir-la mitjançant una xarxa de clavegueres.

–Transportar als terrenys agrícoles els residus recollits als centres urbans.

El reconeixement de la importància de l’enginyeria en la salut pública fa que sorgisca de l’enginyeria civil una disciplina que es consolidarà a partir d’aquestes dates: l’enginyeria sanitària. En un principi la seua funció era simplement la de transport de materials: transport d’aigua de subministrament a les ciutats i evacua­ció dels residus i de les aigües residuals urbanes. Amb el creixement industrial i l’augment de les aglomeracions urbanes es fan necessaris uns tractaments més complexos que tenen els fonaments en l’enginyeria química.

En definitiva, es pot dir que l’enginyeria ambiental és una disciplina moderna amb un caràcter marcadament multidisciplinari que es recolza fonamentalment en l’enginyeria civil i l’enginyeria química i que necessita per al seu desenvolupament el coneixement que proporcionen els camps de les ciències bàsiques de la química, la física, la biologia i l’economia.

L’activitat humana es pot considerar, de forma simplificada, com un procés que es proveeix de recursos naturals i genera materials manipulats que tornen al medi en forma de residus (figura 1.1). Resulta clar que aquest esquema no produeix problemes ambientals si l’escala de l’acció humana és negligible en comparació amb l’escala del medi: en una societat primitiva la utilització de recursos naturals és infinitament petita enfront del total disponible i els residus produïts són absorbits pel medi de forma que els efectes hi queden totalment diluïts o s’hi integren mitjançant l’acció de processos naturals.

El problema sorgeix quan la magnitud de l’escala de l’activitat humana és del mateix ordre que la grandària del medi que la sosté –conseqüència de l’augment de la població i de l’activitat per càpita de les societats desenvolupades–, de forma que es produeix una situació insostenible. En aquest context es pot definir l’enginyeria ambiental com el camp de la tecnologia que té per objecte la concepció, el disseny i la implantació de solucions per minimitzar els efectes de les activitats humanes en el medi ambient. Aquestes solucions es materialitzen en forma de sistemes correctius o en estratègies de caràcter preventiu. Segons aquesta definició són possibles diverses alternatives per actuar sobre el sistema insostenible:

–Reducció: de la fabricació de productes, de l’ús final de béns; implantació de tecnologies netes més eficients en l’ús de materials i de l’energia.

–Recuperació (valorització): dels materials (reciclatge i reutilització); de l’energia (incineració, gasificació, compostatge).

–Tractament: minimització de la toxicitat i del perill de l’impacte sobre el medi.

–Eliminació: dipòsits de seguretat per a residus tòxics o perillosos, abocadors controlats per a residus domèstics.

En la taula 1.1 es mostren els principals àmbits de treball de l’enginyeria ambiental per minimitzar els efectes de l’activitat humana en el medi ambient.

L’anàlisi o disseny d’un procés ja siga de tractament, de recuperació o d’eliminació a escala industrial fa necessari un estudi detallat de les diferents etapes del procés, per la qual cosa cal aplicar els coneixements englobats en les següents denominacions:

–Balanços de matèria i energia.

–Operacions bàsiques.

–Reactors químics i biològics.

–Economia.

Els balanços de matèria i energia són essencialment aplicacions de les lleis de conservació de la matèria i de l’energia en el sistema de tractament o instal·lació.

Les operacions bàsiques (operacions físiques unitàries) engloben els processos de natura física que tenen lloc en una determinada planta o instal·lació. En aquestes operacions es produeix el transport de les propietats de matèria, d’energia i de quantitat de moviment. Aquestes operacions es poden classificar segons el tipus de transport que controla el procés tal com es mostrarà més endavant en aquest capítol.

En el bloc de coneixement corresponent als reactors (que la bibliografia ambiental denomina processos unitaris biològics i químics) s’estudien els sistemes en què intervenen reaccions químiques, encara que en ocasions poden ser controlades per processos físics com la difusió (com en un reactor biològic de suport sòlid). A més de conèixer la cinètica de la reacció s’ha de seleccionar el tipus de reactor on dur-la a terme, segons la reacció i el funcionament continu o discontinu del sistema.

Per últim, com en qualsevol altre camp de la tecnologia, el factor econòmic juga un paper fonamental en la selecció d’alternatives en un determinat problema ambiental. No obstant això, cal tenir en compte que l’economia de la solució depèn, lògicament, de la dificultat i la importància del problema, la qual cosa no permet de generalitzar en termes quantitatius. Per exemple, el cost de tractament d’una aigua residual varia sensiblement segons la natura i la concentració dels contaminants presents, de forma que es poden trobar diferències fins i tot en ordres de magnitud entre els tipus d’efluents de diferents orígens i naturalesa.

1.2 Exemple de sistema de tractament: estació depuradora d’aigües residuals

Per presentar els conceptes bàsics de l’enginyeria ambiental es dóna tot seguit un exemple de sistema de tractament en què es presenta a partir d’un cas concret el concepte d’operació unitària, que es desenvoluparà en el següent apartat.

En la figura 1.2 s’ha representat l’esquema d’una estació depuradora d’aigües residuals urbanes. La selecció d’operacions unitàries en cada etapa de depu-ració depèn de diversos factors, la qual cosa implica múltiples esquemes de tractament possibles. Cal insistir en el fet que es tracta d’un exemple entre les infinites possibilitats disponibles.

El sistema de depuració produeix separacions i/o transformacions de components inicialment presents en l’aigua residual i produeix diverses línies de flux de matèria al llarg de la instal·lació. En el diagrama de flux de la figura 1.2 s’ha representat cada operació amb un rectangle. Aquests rectangles estan units per fletxes que indiquen el sentit de circulació dels materials –de forma contínua– d’una etapa a l’altra. A l’interior de cada rectangle s’indica el nom de la transformació que hi té lloc.

Abans d’analitzar el diagrama de flux cal recordar que l’aigua residual de tipus domèstic té com a principals agents contaminats compostos orgànics que s’hi troben en suspensió, en dispersió col·loïdal i/o en dissolució, per la qual cosa s’empra un reactor biològic. La resta d’operacions són necessàries per condicionar l’aigua per tal que es puga desenvolupar la transformació biològica i per tractar el residu sòlid generat. (Pregunta per al lector: quin problema produeix la presència de matèria orgànica en l’aigua?)

La primera operació que es du a terme en entrar l’aigua en brut a l’estació depuradora, segons es pot observar en el diagrama, és el desbast. Rep aquest nom l’operació d’eliminació de sòlids gruixuts que poden fer malbé les instal·lacions de tractament. Consisteix a fer passar l’aigua residual a través d’enreixats i tamisos. L’enreixat consisteix en una sèrie de barres d’acer verticals o inclinades, separades a distàncies iguals al llarg del canal per on circula l’aigua residual. En circular l’aigua entre les barres, els sòlids hi queden retinguts i són separats mitjançant una operació de neteja de forma manual o automàtica.

Al desarenador se separen partícules minerals amb un pes específic superior al dels sòlids orgànics com ara grava, arenes, etc. L’eliminació d’aquests materials del corrent d’aigua residual permet protegir els elements mecànics mòbils de l’abrasió i del desgast, reduir la formació de pòsits de material pesant a l’interior dels canals, de les canonades i de les conduccions, i reduir la freqüència de neteja dels digestors, requerida per l’excessiva acumulació d’arenes.

Les aigües residuals sempre porten una important quantitat de greixos i olis que cal eliminar ja que produeixen diversos problemes durant el procés de tractament d’aquestes: provoquen obstruccions de sistemes mecànics; en tractar-se de compostos orgànics, incrementen les necessitats del tractament biològic; redueixen el coeficient de transferència d’oxigen als processos biològics; pertorben la posterior separació de fangs, i dificulten el procés de digestió d’aquests darrers. El desgreixament se sol dur a terme mitjançant la introducció d’aire en el corrent d’aigua per tal d’afavorir el trencament de la dispersió, de forma que les partícules de greix es desplacen a la superfície de l’aigua per la seua menor densitat. També es possible eliminar els greixos en la sedimentació primària, on no cal emprar aire atès que l’elevat temps de retenció de l’aigua en el clarificador primari possibilita la deposició superficial del greix.

Aquest conjunt d’operacions rep el nom de pretractament, l’objectiu principal del qual és condicionar l’aigua mitjançant l’eliminació dels materials que podrien causar problemes en les instal·lacions del tractament posterior.

A continuació se sotmet l’aigua al tractament primari. En l’exemple considerat consisteix en una decantació o sedimentació primària amb la qual se separen els sòlids en suspensió sedimentables del corrent d’aigua (al voltant del 60% del total de sòlids), per a la qual cosa es redueix la velocitat de pas de l’aigua. En sedimentar aquest material, malgrat que la major part és de caràcter mineral, arrossega i adsorbeix en la caiguda certa quantitat de matèria orgànica.

El principal agent contaminant de l’aigua residual domèstica (material orgànic, principalment soluble i col·loïdal) encara hi és present després del pretractament i del tractament primari. La degradació de la matèria orgànica té lloc al reactor biològic, que és el nucli principal d’una estació depuradora d’aigües residuals. Aquest reactor por tenir múltiples configuracions, d’entre les quals el procés de fangs activats de mescla completa és el més utilitzat al nostre entorn. Consisteix en un tanc agitat per tal de mantenir en suspensió la mescla de reacció (aigua residual i microorganismes), i airejat per tal de treballar en condicions aeròbies.

Al reactor té lloc la degradació biològica del material orgànic per part dels microorganismes heteròtrofs (principalment bacteris). La matèria orgànica s’utilitza com a font d’energia (catabolisme) i de carboni (anabolisme) pel metabolisme de la població microbiana. Així, part de la matèria orgànica inicial s’oxida completament en productes inerts (CO2 + H2O) i una altra part es transforma en material cel·lular. Malgrat ser un agent contaminant orgànic, les cèl·lules formades presenten la important característica de ser separables per decantació. Cal, doncs, un sistema de sedimentació per separar la matèria orgànica del corrent d’aigua residual (decantador secundari). D’aquesta forma s’obté un corrent amb una concentració baixa de matèria orgànica (aigua tractada) i un altre corrent amb una concentració alta de biomassa (microorganismes) que es recircula cap al reactor amb la finalitat de mantenir una concentració adequada de població microbiana en el sistema. Part del corrent de recirculació es purga per regular el funcionament del reactor i eliminar l’excés de biomassa (fangs) produïda, que se sotmet a un tractament posterior abans del seu abocament o disposició.

Després d’un tractament en el qual s’ha eliminat la matèria orgànica i els sòlids en suspensió, el corrent depurat conté una quantitat de microorganismes com ara virus, bacteris, paràsits, que poden ser portadors de malalties. Caldrà, doncs, una major protecció en el cas que la vessada del corrent d’aigua residual tractada es done a zones sensibles com ara zones de bany, zones de provisió de rec, zones d’aqüicultura, etc. En aquests casos normalment es fa una desinfecció química mitjançant addició de clor (cloració). El procés de destrucció de microorganismes depèn, a més de la quantitat de clor residual en l’aigua, del temps de contacte. Així, per fer una bona desinfecció es recomana un període mínim de contacte de quinze minuts.

Els fangs produïts en el tractament primari i biològic es caracteritzen per tenir un alt contingut de matèria orgànica, la qual cosa fa que no es puguen abocar directament sense un tractament previ. Cal una estabilització que disminuïsca la fracció de matèria orgànica degradable i reduïsca el contingut de microorganismes patògens. Aquesta estabilització es pot dur a terme mitjançant digestió –és a dir, descomposició biològica, aeròbia o anaeròbia– o per altres processos de tipus químic o tèrmic. El sistema més àmpliament utilitzat per estacions depuradores de tipus mitjà o gran és la digestió anaeròbia ja que té un menor consum energètic i permet l’aprofitament del biogàs que es produeix en el procés, encara que la inversió de capital és major que en la digestió aeròbia.

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:

–Operacions basades en el transport de la quantitat de moviment.

–Operacions basades en el transport d’energia.

–Operacions basades en el transport de matèria.

Tot seguit es descriuen les operacions unitàries més representatives de cada tipus.

1.3.1 Operacions unitàries basades en el transport de la quantitat de moviment

Aquestes operacions corresponen fonamentalment al transport de fluids i es poden classificar en dos grans grups:

a)De flux intern, és a dir, el fluid circula per l’interior de conduccions.

–L’estudi de la circulació de fluids en conduccions s’ocupa del càlcul de la pèrdua de pressió del fluid per determinar el diàmetre de la conducció o la potència de la bomba o del compressor necessari per fer-lo-hi circular.

b)De flux extern, és a dir, un sòlid es desplaça al si d’un fluid.

–Filtratge: operació de separació d’un sòlid en suspensió en un fluid en fer passar la mescla per un medi permeable al fluid i impermeable al sòlid.

–Sedimentació: separació sòlid-líquid per acció de la gravetat. El líquid es deixa en repòs de forma que el sòlid, amb una densitat major, cau al fons per gravetat.

–Centrifugació: separació de dues fases de densitat semblant mitjançant l’ac­ció d’un camp de força centrífuga originada per un sistema mecànic de rotació.

1.3.2 Operacions unitàries basades en el transport d’energia

La transmissió d’energia en forma de calor pot ocórrer en molts processos, però només en alguns la velocitat de transmissió de calor és l’etapa que controla el procés. Algunes d’aquestes operacions amb interès per a l’enginyeria ambiental són:

–Bescanviadors de calor (figura 1.3). L’operació consisteix en la transmissió de calor entre dos fluids a diferents temperatures, separats per una paret metàl·lica o d’algun material d’alta conductivitat tèrmica, és a dir, que oferisca poca resistència a la transmissió de calor. L’operació es pot dur a terme amb canvi de fase o sense (l’elevada calor latent de vaporització de l’aigua fa que normalment s’empre vapor d’aigua com a fluid calefactor).

Aquesta operació s’utilitza en la digestió anaeròbia que s’ha plantejat en l’exemple de la figura 1.2. El procés es du a terme a una temperatura superior a l’ambiental, per la qual cosa cal escalfar el sistema mitjançant un bescanviador de calor (es pot emprar com a fluid calefactor el vapor d’aigua que s’obté a partir de la recuperació energètica del metà que produeixen les transformacions biològiques desenvolupades en la digestió).

–Evaporació. Consisteix en l’eliminació del dissolvent d’una solució per augmentar la concentració de solut (figura 1.4). La calor cedida pel vapor s’empra per fer bullir la solució diluïda, de la qual s’evapora el dissolvent. Aquesta operació pot ser econòmicament viable enfront dels tractaments biològics per tractar aigua amb matèria orgànica: si la concentració de matèria orgànica és baixa (entre 50 i 4.000 mgDQO/l), la millor alternativa és el tractament biològic aerobi; per a concentracinos més altes (entre 4.000 i 50.000 mgDQO/l), el tractament biològic anaerobi, i per a aigües amb una presència de contaminants orgànics molt elevada (> 50.000 mgDQO/l), la millor alternativa sol ser l’evaporació.

1.3.3 Operacions unitàries basades en el transport de matèria

En aquest apartat es consideren les operacions unitàries en les quals l’etapa que controla el procés és la transferència de matèria. Tenen per objecte separar components o grups de components d’una fase, generalment homogènia. La figura 1.5 mostra un esquema general d’aquest tipus d’operació. Quan l’agent separador (matèria o energia) interacciona amb el corrent d’alimentació es generen dos o més corrents d’eixida de diferent composició, la qual cosa permet de separar o concentrar determinats agents contaminants d’un determinat corrent. Tot seguit se’n mostren alguns exemples.

–Absorció. L’absorció consisteix en la separació dels components d’una mescla gasosa mitjançant un líquid que absorbeix preferentment un dels components (figura 1.6). Per exemple, l’eliminació de SO2 de gasos de combustió mitjançant solucions bàsiques per evitar emetre’l a l’atmosfera. L’aireig en els processos biològics aerobis també consisteix en una absorció en la qual es posa en contacte aire amb la mescla de reacció amb la finalitat de transferir l’oxigen al medi de reacció.

–Destil·lació-rectificació. La destil·lació consisteix a separar dos o més com­­ponents d’una mescla líquida a partir de les diferències entre les seues pressions de vapor. La mescla líquida, en entrar en ebullició, produeix un vapor que és més ric en els components més volàtils que la mescla original. El líquid que resta s’empobreix en aquests components més volàtils. En la rectificació es produeix la separació d’una mescla líquida o gasosa per contacte amb un vapor o líquid produïts per l’escalfament o el refredament de la mescla original. Les dues fases són el vapor a la temperatura de condensació i el líquid a la temperatura d’ebullició. Es produeix la transferència de matèria en els dos sentits: la fase gasosa s’enriqueix en els components més volàtils i la fase líquida en els menys volàtils. Aquestes operacions són típiques per separar components amb la finalitat de reutilitzar-los en un determinat procés industrial.

–Assecament. Consisteix a reduir el contingut d’un líquid, generalment aigua, que impregna un sòlid, mitjançant un gas, generalment aire. En aquesta operació es produeix una transferència de matèria de l’interior del sòlid fins a la interfície per difusió i, en sèrie, una evaporació des de la interfície al si de l’aire circumdant (figura 1.7). Aquesta operació se sol utilitzar en estacions depuradores d’aigües residuals per a la deshidratació dels fangs digerits mitjançant eres d’assecament per contacte directe amb l’aire atmosfèric.

–Separació per membranes (figura 1.8). Els processos de separació per mem­branes constitueixen un grup d’operacions bàsiques relativament noves en comparació amb les clàssiques de transferència de matèria (absorció, destil·lació, etc), però són cada vegada més importants quant a les seues aplicacions. Un exemple característic n’és l’osmosi inversa, que separa un solut d’una dissolució tot forçant el dissolvent a fluir a través d’una membrana mitjançant l’aplicació d’una pressió major que l’osmòtica (la pressió osmòtica és la que es dóna quan s’equilibren una solució concentrada i una diluïda a través d’una membrana tot passant el dissolvent de la diluïda a la concentrada). Així, amb l’osmosi inversa s’aconsegueix, a partir d’una determinada solució, una de més concentrada i una altra de més diluïda. Una aplicació típica és l’obtenció d’aigua potable a partir d’aigua marina (planta de dessalació).

1.4 Formes d’operació

Un concepte important a l’hora de dur a terme un procés de tractament és el de forma d’operació: les instal·lacions poden treballar per càrregues o de forma contínua.

Operació discontínua, intermitent, periòdica o per càrregues. En aquest tipus d’operació es carrega inicialment el sistema amb una quantitat de matèria, que es manté a l’interior de la instal·lació fins que s’obté la transformació desitjada. Seguidament es descarrega i es fan les operacions adequades de manteniment de l’equip per deixar-lo en condicions d’iniciar una nova operació.

La figura 1.9 mostra la variació en el temps de la variable representativa del procés (concentració de l’agent contaminant, per exemple), amb les dues característiques principals d’aquest tipus d’operació:

–La concentració de contaminant és funció del temps.

–L’operació discontínua està constituïda per una sèrie de cicles idèntics (càrrega, transformació i descàrrega).

En una explotació en continu, com la que s’ha vist a l’apartat 1.2 (figura 1.2), l’influent que s’ha de tractar entra de forma contínua i s’obté un efluent tractat també de forma contínua, de manera que la variable que caracteritza la transformació (com pot ser la concentració d’un determinat contaminant), una vegada assolit l’estat estacionari, és independent del temps, encara que segons casos pot dependre de les coordenades geomètriques, és a dir, no ser constant a l’espai.

Un exemple característic de processos discontinu i continu és el tractament biològic de la matèria orgànica en aigua residual.

El procés continu està constituït per dos elements (figura 1.10): el reactor de flux de pistó (on es produeix la degradació de la matèria orgànica per part dels microorganismes), i el sedimentador, on se separa la biomassa generada de l’aigua residual tractada. En aquesta configuració l’aigua residual s’introdueix de forma contínua al sistema i n’ixen dos corrents continus: l’aigua tractada, pel capdamunt del decantador, i el fang biològic (contaminant orgànic concentrat), pel fons.

La concentració de matèria orgànica en dissolució va disminuint a mesura que avança la reacció biològica al llarg del reactor, és a dir, és funció de la distància recorreguda, però es manté constant al llarg del temps quan el sistema arriba a l’estat estacionari.

Aquest mateix procés es pot desenvolupar de forma intermitent mitjançant allò que es coneix com a SBR (sequencing batch reactor), en què un mateix tanc actua de reactor i decantador. En aquest cas la transformació es produeix al llarg del temps i no de l’espai. Tal com s’observa en la figura 1.11, es carrega l’aigua residual al tanc, on hi ha un volum inicial, amb biomassa; una vegada ple, o a mesura que s’omple, es manté la mescla en suspensió i se subministra aire perquè la biomassa puga créixer a partir de la degradació de la matèria orgànica. Quan la concentració del contaminant orgànic en dissolució és suficientment baixa, s’atura l’agitació i es manté el sistema en repòs de forma que la biomassa es decanta i s’acumula al fons. Finalment, es descarrega l’aigua tractada, per una banda, i una fracció del concentrat, per una altra, (la purga de fang en excés). En aquest cas es té inicialment un volum d’aigua residual i, passat un temps, el volum d’aigua tractada més un petit volum de contaminant concentrat.

Com es pot observar, en el sistema continu es tracta aigua residual les 24 hores del dia; els temps morts de l’operació intermitent disminueixen la quantitat de material tractat per unitat de volum del reactor.

1.4.1. Règim estacionari i no estacionari

Abans s’ha emprat un concepte, estat estacionari, que no s’ha definit. Es diu que un sistema es troba en estat estacionari quan les seues propietats es mantenen constants i invariables en el temps i en qualsevol punt del sistema, encara que poden ser diferents d’un punt a un altre. Per exemple, en el reactor de flux de pistó que s’ha considerat anteriorment la conversió augmenta des de l’entrada fins a l’eixida, de manera que la concentració de matèria orgànica en dissolució disminueix a mesura que l’aigua avança pel reactor, però és constant en qualsevol part d’una determinada secció transversal: no hi ha variació en el temps i el sistema funciona en estat estacionari. Hi entra un cabal constant d’aigua contaminada (concentració constant de matèria orgànica), es mescla amb la biomassa que procedeix de la recirculació i, a mesura que circula pel reactor, disminueix la seua concentració, però és la mateixa en cada punt al llarg del temps.

Quan les propietats del sistema varien amb el temps en un determinat punt del sistema es diu que el sistema està en estat no estacionari. Aquest és el cas del segon exemple que s’ha considerat, en el qual la degradació de la matèria orgànica es du a terme en un reactor de tanc agitat, que funciona per càrregues, discontinu.

Tot procés discontinu o intermitent és, per definició, no estacionari. Existeix una variació de les propietats amb el temps. Altrament, un procés en continu pot funcionar en règim estacionari o en règim no estacionari. En particular, totes les posades en funcionament d’un sistema en continu que es pretén fer funcionar en estat estacionari constitueixen un cas del funcionament clarament no estacionari. D’altra banda, una operació en règim estacionari és sempre contínua, no pot ser per càrregues.

En la pràctica és molt difícil mantenir un sistema continu en estat estacionari. Tal com han estat definits, en els sistemes de depuració solen haver-hi variacions considerables dels paràmetres del material que es tracta; per exemple, en el cas de les aigües residuals urbanes hi ha perfils diaris i estacionals de cabal i de concentració de contaminants que fan que el sistema no puga arribar a un estat estacionari pròpiament dit.

1.4.2. Inconvenients i avantatges dels dos tipus d’operació considerades

El fet que en l’operació intermitent el procés siga cíclic i discontinu implica que, a més del tractament de materials, siguen també de forma cíclica el funcionament de la instal·lació i l’activitat dels operaris. Per tant, les característiques essencials d’aquesta forma d’operació són:

–Elevada necessitat de mà d’obra.

–Temps morts d’operació (períodes en els quals no s’obté rendiment de la instal·lació).

En l’operació en continu els materials entren de forma contínua al sistema i romanen a la instal·lació el temps necessari per assolir la transformació dissenyada. Així, les transformacions dels materials, el funcionament de la instal·lació i l’activitat de l’home que opera en el sistema son també continus. Així, doncs, les característiques de l’operació en continu són:

–Baixa necessitat de mà d’obra.

–No existeixen temps morts en el funcionament de la instal·lació.

D’acord amb aquestes característiques es pot concloure que els avantatges del procés en continu són:

–Facilita l’automatització, la qual cosa estalvia costos de mà d’obra.

–Permet l’aprofitament de l’energia (calor o fred) mitjançant l’ús de bescanviadors de calor.

–La productivitat és més alta: s’obté una major quantitat de material tractat per unitat d’instal·lació.

Els desavantatges del sistema en continu són:

–Les variacions importants de qualitat i/o quantitat dels corrents que s’han de tractar provoquen inestabilitats en dificultar l’operació en estat estacionari.

–La posada en funcionament d’un sistema en continu és costosa, per la qual cosa cal que la instal·lació s’ature el menys possible. Això implica que els equips s’han de construir amb els millors materials i, en conseqüència, els costos d’inversió són alts.

–La versatilitat dels sistemes en continu és molt limitada: es dissenyen per a un determinat funcionament, de manera que qualsevol canvi produeix problemes. L’avantatge principal dels sistemes en discontinu és que poden ser molt versàtils.

Com a conclusió es pot afirmar que en termes generals el sistema en continu és recomanable com més gran siga el volum que s’ha de tractar i quan les característiques del corrent que s’ha de tractar siguen el més constants que siga possible. Altrament, quan el material siga limitat o hi haja grans variacions del sistema que cal tractar resultarà més adequat un sistema en discontinu.

1.5 Plantejament general de l’anàlisi i el disseny de sistemes

Segons el que s’ha vist fins al moment es pot concloure que per a l’estudi d’un determinat sistema de tractament o d’un procés natural basat en els fenòmens de transport cal tenir la informació que contenen els tres blocs indicats en la figura 1.12.

Lleis de conservació. Per deduir les equacions de conservació cal plantejar els balanços de propietat: balanços de matèria, energia i quantitat de moviment. Els balanços ens donen informació sobre la magnitud del canvi que es produeix en un determinat sistema i sobre les variacions de propietat que s’hi produeixen. Mitjançant la utilització del balanços es poden conèixer els estats inicial i final d’un sistema (o les condicions d’entrada i eixida en un sistema continu), però no la forma ni la velocitat a la qual es produeix el canvi.

Lleis cinètiques. Per conèixer la velocitat a què es produeix un canvi i les variables de què depèn cal recórrer a les lleis cinètiques, expressades matemàticament mitjançant les anomenades equacions de velocitat:

–Cinètica química: quantifica la velocitat a la qual té lloc un determinat procés en el cas que es produïsquen reaccions químiques o transformacions de tipus biològic.

–Cinètica física:

- Difusió per al transport de matèria.

- Conducció, convecció i/o radiació per al transport d’energia.

- Fregament, per al cas de la quantitat de moviment.

Restriccions. Un tercer component imprescindible en l’estudi dels sistemes és la informació sobre les restriccions naturals o d’una altra mena que ha de satisfer el procés: les de l’equilibri físic i químic, les condicions de contorn i d’altres (economia, seguretat, legislació...).

Una vegada coneguda la informació referent als balanços, les lleis cinètiques i les restriccions és possible fer una formulació matemàtica del sistema –model matemàtic–, que es pot materialitzar en diverses formes: equacions, grà­fics, taules, etc. A patir del model matemàtic l’enginyer ambiental pot analitzar un determinat sistema: estudiar un procés de depuració, modelar el comportament d’un riu o d’un llac davant d’un abocament tòxic, etc. També es pot emprar el model matemàtic per al disseny, és a dir, per definir les dimensions d’un determinat sistema de tractament a partir de la informació sobre el material que cal depurar i sobre el grau de tractament necessari.