Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea

• 1. Sistemas DAF para el tratamiento de aguas residuales de la industria láctea
• 2. Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea
• 3. Opciones de tratamiento
• 4. Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea para su eliminación o vertido
• 5. Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea para su reutilización
• 6. Sistemas DAF para la gestión de aguas residuales de la industria láctea
• 7. Productos y aplicaciones

La industria láctea genera un gran volumen de aguas residuales, que se generan tanto en la producción de los productos como en las unidades de envasado. Las aguas residuales de la industria láctea se componen de una combinación de agua, sólidos, grasas y agentes de limpieza. El volumen y las características de las aguas residuales de la industria láctea pueden variar en función de factores como el tipo de producto lácteo que se produce, los métodos de procesamiento utilizados y el tamaño de la explotación.

Las aguas residuales de la industria láctea han de tratarse adecuadamente antes de su vertido, ya que contienen altos niveles de materia orgánica, nitrógeno y fósforo, que pueden contribuir a la contaminación del agua.

Los principales contaminantes que se encuentran en las aguas residuales de la industria láctea son los siguientes:

• Materia orgánica: las aguas residuales de la industria láctea contienen altos niveles de materia orgánica, incluidas grasas, proteínas y lactosa. Esta materia orgánica puede contribuir, si no se trata adecuadamente, a elevar los niveles de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO) en las masas de agua receptoras, lo que puede reducir los niveles de oxígeno disuelto y perjudicar la vida acuática.
• Nutrientes: las aguas residuales de la industria láctea son ricas en nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, que pueden contribuir a la eutrofización de las masas de agua receptoras. La eutrofización es el proceso por el cual el exceso de nutrientes provoca el rápido crecimiento de algas y otras plantas acuáticas, lo que causa la reducción de la calidad del agua, el agotamiento del oxígeno y la muerte de peces.
• Patógenos: las aguas residuales de la industria láctea pueden contener bacterias, virus y otros microorganismos que pueden presentar un riesgo para la salud humana si se ingieren o inhalan. Estos patógenos pueden proceder de los excrementos de los animales, de los excrementos humanos o de equipos o superficies contaminados en las instalaciones de procesamiento de productos lácteos.
• Agentes limpiadores: las instalaciones de procesamiento de productos lácteos utilizan diversos agentes de limpieza, como ácidos, álcalis y detergentes, para limpiar y desinfectar el equipo y las superficies. Estos agentes pueden ser nocivos para la vida acuática y contribuir a la contaminación del agua si no se gestionan adecuadamente.
• Antibióticos y hormonas: las aguas residuales de la industria láctea pueden contener residuos de antibióticos y hormonas utilizados para tratar o mejorar la producción de leche en el ganado lechero. Estos residuos pueden contribuir al desarrollo de bacterias resistentes a los antibióticos y presentar riesgos para la salud humana y el medio ambiente.

La composición de las aguas residuales de la industria láctea también varía considerablemente con cada categoría de producto.

En la industria láctea, los productos son muy diversos, principalmente leche pasteurizada y esterilizada, yogur, queso, crema, mantequilla, helado y leche en polvo.

La caracterización de las aguas residuales desempeña un papel importante en el diseño del sistema de tratamiento. La concentración de DQO (Demanda Química de Oxígeno) en las aguas residuales lácteas varía considerablemente según el producto que se produzca. Por ejemplo, la carga de contaminantes de las aguas residuales de una empresa que produce yogur es muy diferente a la carga de contaminantes de una empresa que produce queso. Dado que las plantas de producción de yogur tienen parámetros bajos de aceites-grasas y DQO, generalmente solo requieren un tratamiento físico + biológico para cumplir con los estándares de descarga. Sin embargo, dado que los parámetros de aceites-grasas y KOI (Kjeldahl Oxidizable Nitrogen) son altos en las plantas de producción de queso, en general se prefieren unidades de tratamiento físico + químico + biológico en las plantas a pequeña escala.

La siguiente tabla enumera los valores medios, mínimos y máximos habituales de algunos parámetros y contaminantes clave como la DBO, la DQO, los sólidos en suspensión, el amoníaco y el nitrógeno.

Parámetro	Concentración (mgL-1) Max	Concentración (mgL-1) Min	Concentración (mgL-1) Media
Amonio N	100	5	25
DBO	6000	500	1800
DQOs/DQOt	0.9	0.6	0.7
DQOs soluble	8000	600	2500
DQOt total	9000	900	3500
Nitrato N	8	2	6
Aceites y grasas	140	400	290
pH	6	5	5.5
Sólidos suspendidos (SS)	800	100	400
Nitrógeno total (TN)	200	10	110
Fósforo total	100	10	36
Sólidos suspendidos volátiles	500	150	350

Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea

Muchos productores de productos lácteos utilizan una combinación de métodos de tratamiento físicos, químicos y biológicos para gestionar sus aguas residuales. Entre ellos se incluyen los procesos de clarificación, filtración, tratamiento biológico y eliminación de nutrientes.

La elección de la tecnología para gestionar las aguas residuales de la industria láctea depende de factores como el volumen y las características de las aguas residuales, la disponibilidad de recursos y la normativa local. Es fundamental conocer la composición de las aguas residuales antes de diseñar correctamente cualquier planta de tratamiento de aguas residuales de la industria láctea.

En general, se puede utilizar una combinación de las siguientes tecnologías para alcanzar el nivel deseado de tratamiento y reutilización o vertido del efluente:

• Tratamiento físico-químico: los métodos de tratamiento físico-químico como la coagulación, la floculación y la flotación por aire disuelto se pueden utilizar para la separación de sólidos, nutrientes y metales de las aguas residuales. Estos métodos consisten en añadir productos químicos a las aguas residuales para formar flóculos, que pueden eliminarse fácilmente mediante clarificación.
• Digestión anaerobia: la digestión anaerobia es un proceso biológico que convierte la materia orgánica de las aguas residuales en biogás, el cual puede utilizarse para la producción de energía. Este proceso puede ayudar a reducir el contenido orgánico de las aguas residuales, eliminar patógenos y generar energía renovable.
• Tratamiento aerobio: el tratamiento aerobio consiste en utilizar bacterias y oxígeno para descomponer la materia orgánica de las aguas residuales, gracias a lo cual se reducen los niveles de DBO y DQO en las aguas residuales y a eliminar patógenos.
• Filtración por membrana: las tecnologías de filtración por membrana, como la ultrafiltración y la ósmosis inversa, se pueden utilizar para la eliminación de sólidos, materia orgánica, nutrientes y agentes patógenos de las aguas residuales. Estas tecnologías pueden ser eficaces en la producción de efluentes de alta calidad para su reutilización o vertido.
• Oxidación avanzada: las tecnologías avanzadas de oxidación, como el ozono y el peróxido de hidrógeno, se pueden utilizar para descomponer la materia orgánica y los agentes patógenos de las aguas residuales. Estas tecnologías pueden ser eficaces en la producción de efluentes de alta calidad para su reutilización o vertido.

Proceso de tratamiento	Caracterización	Eficiencia (%)	References
Chemical precipitation	Ferrous sulphate and ferric chloride as coagulant	BOD: 64% (ferrous sulphate) and 85% (ferric chloride)	[25]
Chemical precipitation	Pre-treatment Ca(OH)2 and FeSO4 used	High COD removal	[26]
Coagulation	Alum and ferrous sulphate as coagulant	Alum was more effective than ferrous sulphate and it removed 5% more COD than ferrous sulphate.	[27]
Coagulation	Iron chloride, aluminium sulphate and calcium chloride as coagulant	Calcium hydroxide: organic matter: 40%, suspended solid: 94%, phosphorus: 89%	[28]
Coagulation	FeCl3 as coagulant Pre-treatment	Addition of 0.10–0.15 mg FeCl3-6H2O/mg COD, or about 0.20 mg Al2(SO4)3.18H2O/mg COD, was sufficient to obtain good removal of organic matter. Maximum removal efficiencies of 67–90% total COD	[29]
Coagulation/flocculation	FeCl3, Fe2(SO4)3 and alum Pre-treatment	FeCl3 ve Fe2(SO4)3: COD: >70% Alum: COD: >65%	[30]
Coagulation/flocculation	FeCl3 as coagulant	FeCl3 Weak wastewater: Doses: 550,180, 180 mg/l COD: 76, 88 and 82%, respectively Strong wastewater: Doses: 500, 500, 500 mg/l COD: 45, 28 and 29%, respectively	[11]
Adsorption	low cost adsorbents like powdered activated carbon, bagasse, straw dust, saw dust, fly ash and coconut coir as adsorbent	TSS: activated carbon had a better removal efficiency	[31]
Adsorption	lanthaum modified benthonite as adsorbent	Phospate: 100% in the first 15 min.	[32]
Membrane process	Reverse osmosis	95% water recovery with an average flux around 10–11 L/h.m2 TOC: 99.8%, TKN: 96%, conductivity: 97% and lactose: 99.5%	[33]
Membrane process	Reverse osmosis	Conductivity: 98.2%, COD: 97.8%	[34]
Membrane process	Ultrafiltration + reverse osmosis (pre-treated the wastewater with coagulant and PAC before)	Dairy industry wastewater can be recycled and reused	[35]
Membrane process	Membrane bioreactor + nanofiltration	MBR: COD: 98%, nutrients: 86% (86% nitrogen and 89% phosphorus) NF: COD: 99.9%, TSS: 93.1%	[36]
Electrocoagulation		COD: 98% (at optimum conditions at electrolysis time of 7 min)	[16]
Electrocoagulation	Soluble aluminium anode as used	Phosphorus: 89%, nitrogen: 81%, COD: 61%	[37]
Electroflocculation	Iron electrodes	organic matter: 97.4% (at final pH of 7,4)	[38]
Combined electrode system	Iron and aluminium electrodes	20 min electrolysis was enough for the treatment of COD.	[39]
Electrochemical oxidation	IrO2-Pt/Ti coated anodes	After 360 min 3700 mg/L COD removal was completed at a current density of 100 mA/cm2 by using IrO2/Ti electrode and complete decolourisation was achieved less than 60 min	[40]
Electrochemical process	Sn/Sb/Ni-Ti coated anodes	COD: 98% at a current density of 50 mA/cm2 at 10 min	[41]
Electrocoagulation	Aluminium electrodes were used in the presence of potassium chloride as electrolytes	98.84% COD removal, 97.95% BOD5 removal, 97.75% TSS removal, and >99.9% bacterial indicators at 60 V during 60 min	[42]
Electrocoagulation	Direct current-aluminium plates were used as sacrificial electrodes	COD: 87% (the optimum current intensity, pH and electrolysis time for 1070 mg/dm3 and were 3A, 9, 75 min, respectively. Mean energy consumption was 112.9 kWh/kg)	[43]

Opciones de tratamiento

Existen diferentes acciones que se pueden llevar a cabo con las aguas residuales generadas por la industria de los lácteos.

• Almacenar el agua residual y enviarla a un gestor de residuos. Para productores con grandes volúmenes de aguas residuales, como sucede en muchos casos, esta opción es extremadamente costosa.
• Descargar las aguas residuales en el alcantarillado. En este caso el agua residual necesitará un tratamiento para adecuarla a las normativas de vertido vigentes en el territorio donde está ubicada la planta de producción.
• Descargar el agua residual al medio natural. Como en el anterior caso, el agua vertida al medio ha de ser tratada para cumplir con los límites de vertido establecidos por ley.
• Reutilizar el agua residual. La opción más eficiente a nivel medioambiental, pero que también implica la instalación de una planta de tratamiento de aguas residuales más avanzada y completa. El agua recuperada puede ser reutilizada en actividades como riego y lavado.

Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea para su eliminación o vertido

A continuación se indican los pasos que se llevan a cabo en un proceso habitual para gestionar los distintos contaminantes presentes en las aguas residuales de la industria láctea (nutrientes, aceites y grasas, demanda química de oxígeno (DQO), demanda biológica de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos totales (SST) y sustancias orgánicas e inorgánicas) para su vertido:

• El nivel de pH se ajusta utilizando reguladores de pH como la sosa cáustica o el ácido. Seguidamente, se rompen las emulsiones y se precipitan los sólidos con la ayuda de un desemulsionante.
• Los pasos clave de este proceso son la coagulación-floculación y la flotación por aire disuelto. Las aguas residuales se coagulan y después se bombean a una zona de mezcla lenta, donde las partículas se aglutinan en flóculos de mayor tamaño a través de la floculación antes de ser tratadas en el sistema DAF.
• Las burbujas del sistema de flotación por aire se impulsan desde un sistema de disolución de aire reciclado que insufla el efluente tratado en el sistema de flotación por aire.
• Luego, los lodos pasan por la prensa de filtros y se eliminan conforme a los requisitos medioambientales.

Si las aguas residuales se van a verter al medio ambiente, es necesario incluir un proceso de tratamiento biológico en la planta de tratamiento de aguas residuales antes del vertido del agua.

Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea para su reutilización

Si se desea obtener agua de alta calidad para su reutilización en el proceso de producción, la planta de tratamiento de aguas residuales de la industria láctea debe incluir algunos pasos adicionales. Un proceso habitual para obtener agua reutilizable de alta calidad es el siguiente:

• Cribado: el primer paso del proceso consiste en cribar las aguas residuales para eliminar las partículas grandes y los residuos que podrían obstruir los equipos auxiliares. Para ello se suele utilizar un tamiz mecánico o un tamiz de barras.
• Flotación por aire disuelto (DAF): a continuación, las aguas residuales se envían a un sistema DAF, donde se utilizan micro burbujas para separar los sólidos en suspensión y las grasas del agua. Los sólidos y las grasas suben a la superficie del agua y se espumean, obteniéndose un efluente de agua clarificada.
• Tratamiento biológico: el efluente obtenido tras el tratamiento en el equipo DAF es enviado a un sistema de tratamiento biológico, como un proceso de lodos activados, en el que se utilizan bacterias y otros microorganismos para descomponer la materia orgánica del agua. Este proceso puede eliminar del agua nutrientes como el nitrógeno y el fósforo.
• Filtración por membrana: El agua se envía a un sistema de filtración por membranas, que habitualmente se compone de una unidad de ultrafiltración seguida por una ósmosis inversa, para eliminar del agua cualquier resto de sólidos, nutrientes y agentes patógenos. Este paso produce un efluente de alta calidad que se puede reutilizar para fines no potables, como el riego o la limpieza.
• Desinfección: el agua puede desinfectarse, antes de su reutilización, aplicando métodos como la luz ultravioleta (UV) o el cloro para eliminar cualquier resto de patógenos y garantizar que el agua sea segura para su reutilización.
• Almacenamiento y reutilización: a continuación, el agua limpia se almacena en un tanque o depósito y se reutiliza para fines no potables, como el riego, la refrigeración o la limpieza.

Este proceso es capaz de producir agua de alta calidad que se puede reutilizar in situ, reduciendo la demanda de recursos de agua dulce y protegiendo el medio ambiente.

Sistemas daf para la gestión de aguas residuales de la industria láctea

Los sistemas de flotación por aire disuelto (DAF) se pueden utilizar para tratar las aguas residuales generadas por la industria láctea y son una opción habitual para muchos productores lácteos. La tecnología DAF es un proceso de separación física que utiliza micro burbujas de aire para la separación de los sólidos en suspensión y las grasas de las aguas residuales. Las micro burbujas se adhieren a los sólidos en suspensión y a las grasas, haciéndolos flotar hasta la superficie de las aguas residuales, donde pueden espumarse.

Los sistemas DAF son muy eficaces para eliminar los sólidos y las grasas de las aguas residuales de la industria láctea, lo que puede reducir los niveles de DBO y DQO en el efluente. Con ello se consigue que las aguas residuales sean aptas para su reutilización o vertido al medio ambiente. Además, el manejo y el mantenimiento de los sistemas DAF es relativamente fácil.

Los sistemas DAF pueden desempeñar distintas funciones según las necesidades específicas del productor lácteo y de la configuración de su sistema de tratamiento de aguas residuales. Los sistemas DAF se pueden utilizar como un sistema de tratamiento autónomo para las aguas residuales de la industria láctea o como parte de una cadena de tratamiento más extensa que incluya otras tecnologías de tratamiento.

En algunos casos, los sistemas DAF se utilizan como una fase de tratamiento primario para eliminar los sólidos y las grasas de las aguas residuales de la industria láctea antes de tratarlas con tecnologías adicionales, como la digestión aeróbica o anaeróbica, la filtración por membrana o el tratamiento químico. En esta configuración, el sistema DAF sirve como una fase de pretratamiento que reduce el contenido orgánico de las aguas residuales, facilitando y haciendo más eficaz el tratamiento con procesos posteriores.

En otros casos, los sistemas DAF se utilizan como un sistema de tratamiento autónomo, en el que el efluente se vierte directamente al medio ambiente o se reutiliza in situ para fines no potables, como el riego o la limpieza. En esta configuración, el sistema DAF debe alcanzar un mayor nivel de tratamiento para cumplir la normativa local y proteger el medio ambiente y la salud pública.

Procesos de coagulación/floculación

En la mayoría de sistemas de tratamiento de aguas residuales lácteas, la precipitación y la coagulación-floculación ocurren simultáneamente y se llevan a cabo antes de la entrada de las aguas residuales al sistema de flotación por aire disuelto.

Los procesos de coagulación/floculación se utilizan básicamente para separar los contenidos suspendidos, coloidales y disueltos de las aguas residuales, y se aplican directamente a las aguas residuales crudas. El proceso se divide en dos categorías:

• La coagulación es el proceso químico utilizado para eliminar los sólidos del agua, mediante la manipulación de las cargas electrostáticas de las partículas suspendidas en el agua. Este proceso introduce pequeñas moléculas altamente cargadas en el agua para desestabilizar las cargas de las partículas, coloides o materiales grasos en suspensión.
• La floculación, que hace que las partículas desestabilizadas se unan en flóculos de mayor tamaño y puedan separarse fácilmente en el sistema de flotación.

Productos y aplicaciones

Las soluciones propuestas se pueden aplicar eficazmente al tratamiento de las aguas residuales generadas durante la producción de todos los productos lácteos.

La industria láctea elabora una amplia gama de productos a base de leche e ingredientes lácteos. Algunos de los productos lácteos más comunes son los siguientes:

• Leche: este es el producto más básico y fundamental de la industria láctea. Se utiliza como bebida y como ingrediente de otros productos.
• Queso: el queso se elabora coagulando las proteínas de la leche y separando la cuajada del suero. A continuación, la cuajada se prensa, se moldea y se madura para crear distintos tipos de queso, como cheddar, mozzarella y parmesano.
• Mantequilla: la mantequilla se elabora batiendo la nata para separar la grasa del líquido. Se utiliza para untar y como ingrediente en la cocina.
• Yogur: el yogur se elabora fermentando la leche con bacterias, que convierten la lactosa en ácido láctico. Esto confiere al yogur su característico sabor ácido y su textura cremosa.
• Helado: el helado se elabora combinando leche, nata, azúcar y aromas, y congelando la mezcla mientras se remueve para crear una textura suave y cremosa.
• Proteína de suero: la proteína de suero es un subproducto de la fabricación del queso, rico en proteínas y utilizado como suplemento dietético.
• Leche en polvo: la leche en polvo se elabora eliminando el agua de la leche y secando los sólidos restantes. Se utiliza como alternativa cómoda y estable a la leche fresca.
• Leche condensada: la leche condensada se elabora eliminando la mayor parte del agua de la leche y añadiendo azúcar. Se utiliza como edulcorante e ingrediente de postres y repostería.
• Nata: la nata es la capa rica en grasa que sube a la parte superior de la leche. Se utiliza como aderezo y como ingrediente en la cocina.
• Leche evaporada: la leche evaporada se obtiene calentando la leche hasta que se evapora aproximadamente el 60 % del agua. Tiene un sabor ligeramente caramelizado y una consistencia más espesa que la leche normal, muy utilizada en recetas de tartas, pasteles y otros postres.