Tratamiento de efluentes en la industria de impresión y tintes

• 1. Introducción: Efluente en la industria de impresión de tinta.
• 1.1. Tipo de efluentes de impresión.
• 2. Tratamientos de los efluentes de impresión.
• 2.1. Tratamientos físico-químicos.
• 2.2. Tratamientos biológicos.
• 2.3. Eliminación de nitrógeno amoniacal.

1. Introducción: Efluente en la industria de impresión con tinta

Prácticamente todas las industrias que producen bienes consumibles (envoltorios y empaquetado en alimentaria, cosmética, textil, farmacéutica, papelera, plásticos y juguetes, embotellado, etcétera) emplean pigmentos y tintas de forma extensiva, tanto en la fabricación del producto como en el packaging y recurren a plantas de impresión. Generalmente se emplean pigmentos sintéticos para satisfacer la demanda industrial de tintes, ya que presentan gran flexibilidad para modificar las características químicas y del color, su proceso de fabricación está muy bien desarrollado y su coste de producción es bajo, pero cada vez más se incorporan pigmentos orgánicos.

Los efluentes que contienen tintas presentan un perfil de contaminación muy complejo, conteniendo gran variedad de compuestos: pigmentos orgánicos cíclicos, pigmentos sintéticos, pigmentos en base de dióxido de titanio TiO2, cromo y otros metales pesados, disolventes, nitro-celulosa, glicol, resinas, aglutinantes, coadyuvantes, dispersantes, etcétera.

Las aguas residuales resultantes del uso de estos pigmentos en la tinta de impresión presentan un color intenso y valores altos de los parámetros contaminantes: la materia orgánica, medida como DQO, es muy elevada, generalmente alrededor del 20.000 mg/L, el pH es en mayor o menor medida alcalino, el nitrógeno amoniacal puede ser elevado y los sólidos en suspensión pueden estar entre 2.000 y 10.000 mg/L, además de contener aceites, grasas, metales pesados y compuestos propios del proceso (tinta, disolventes, resinas, compuestos químicos recalcitrantes y tóxicos, etcétera)

El efluente de las pantas de impresión no se puede verter directamente a la red de saneamiento ya que impactaría fatalmente a las depuradoras y tampoco puede verterse a cauce debido a sus efectos nocivos para el medio ambiente y el ser humano.

El proceso de tratamiento debe seleccionarse y diseñarse en función de la composición del efluente y el coste económico, tanto de inversión como de operación.

El segundo objetivo de tratamiento es la reutilización del agua en usos secundarios en la industria, como puede ser el lavado de maquinaria, baldeos o riego de jardines.

1.1. Tipos de efluentes de impresión

Existen diferentes tipos de efluentes de las plantas de impresión, dependiendo del método de impresión o el tipo de tintas empleadas, y cada uno requiere la adaptación del tratamiento. Se muestran a continuación los más comunes.

• Impresión flexográfica o flexografía: contienen grandes cantidades de metales pesados como zinc, plomo, cobre y cromo, color intenso, elevado contenido en sólidos en suspensión, elevada DQO y DBO5, nitrógeno amoniacal, presencia de aceites y grasas y polímeros sintéticos y orgánicos. El tratamiento más empleado para este tipo de efluente es un pretratamiento con ácido y coagulación-floculación, precipitación de nitrógeno amoniacal si es necesario, todo ello seguido de un tratamiento biológico MBR que incluye Ultrafiltración, y un polishing mediante membranas de Ósmosis Inversa o filtros multimedia de Carbón Activado.
• Aguas de lavados: pueden tratarse eficazmente con coagulación-floculación aplicando cloruro férrico, que elimina barnices y pegamentos, y un floculante adecuado. Se debe introducir un polishing para eliminar totalmente el color, generalmente aplicando filtros de Carbón Activado.
• Tinta residual: efluente altísimamente contaminante, conteniendo tintas, gomas sintéticas, aditivos y con DQO y sólidos en concentraciones extremas. Requiere de un pretratamiento con coagulación-floculación y ácido, ya que a pH bajos es cuando más efectivo es el tratamiento, tanto para sólidos y materia orgánica como para reducir el color.

2. Tratamientos de los efluentes de impresión

Existen diversos tratamientos para los efluentes de impresión con tintas, y cada uno conlleva modificaciones según el tipo de efluente explicado anteriormente, pero los procesos principales y efectivos son los siguientes:

i) Tratamientos físico-químicos, ii) tratamientos biológicos y iii) tratamientos específicos para eliminación de nitrógeno.

2.1. Tratamientos físico-químicos:

Coagulación-Floculación

El proceso elimina moléculas de colorantes, coloides, agregados de sólidos, partículas, sólidos en suspensión, materia orgánica no disuelta y otros compuestos no disueltos.

Se basa en provocar la agregación y floculación de estos contaminantes no disueltos para que puedan ser retirados en forma de flóculos por métodos mecánicos de separación, siendo uno de los más efectivos la flotación por aire disuelto (DAF).

El proceso de coagulación-floculación es sencillo, de operación flexible y fácil gestión.

Generalmente se emplean coagulantes inorgánicos de aluminio (policloruro de aluminio y sulfato de aluminio) y hierro (cloruro férrico es el más empleado, también puede aplicarse sulfato ferroso) u orgánicos como el chitosan, todos ellos forman flóculos estables. Tras la aglomeración de los contaminantes con el coagulante, se aplica un floculante que mejora de forma significativa la calidad del flóculo y del agua clarificada. Un proceso de coagulación-floculación bien diseñado puede eliminar más del 90% del color y sólidos en suspensión y más del 50% de la DQO y DBO5.

La coagulación-floculación es el pretratamiento indicado para caudales elevados.

Las dosis y tipos de coagulante y floculante que deben aplicarse dependen de la naturaleza y composición del efluente, por lo que es necesario evaluar el proceso mediante ensayos en laboratorio comúnmente conocidos como Jar-Test, y analíticas de sólidos en suspensión y DQO para estimar rápidamente el rendimiento. En SIGMADAF realizamos estos ensayos en nuestro laboratorio propio.

Oxidación Química

En la oxidación química se utilizan iones de hierro Fe2+, peróxido de hidrógeno H2O2, ozono, hipoclorito de sodio NaClO u otros agentes oxidantes fuertes. Estos compuestos provocan la oxidación de sustancias reductoras en el efluente.

Cuando se aplican en efluentes de impresión donde existe gran concentración de color, los oxidantes rompen los anillos de carbono de los que se componen los tintes y pierden la capacidad de absorber la luz, por tanto el color se pierde. Estos anillos descompuestos dan lugar a pequeñas moléculas orgánicas e inorgánicas, que pueden eliminarse mediante otros métodos como la coagulación-floculación y tratamientos biológicos.

La oxidación química también puede hacerse con ozono, electrólisis o el proceso Fenton. El ozono tiene un fuerte poder oxidante, lo que permite que los tintes de alto peso molecular se descompongan en contaminantes orgánicos e inorgánicos de pequeño peso molecular, provocando la pérdida de la capacidad de absorción de luz y por lo tanto eliminando el color. El método de oxidación con ozono es rápido, no tiene subproductos, no genera lodos, requiere poco espacio y es de fácil control, pero no puede aplicarse en grandes caudales ya que implicará un alto coste y baja eficiencia de eliminación de DQO.

El proceso de oxidación Fenton se lleva a cabo en condiciones ácidas, la catálisis de Fe2+ con H2O2 produce un fuerte oxidante: el radical hidroxilo ·OH.

Adsorción

El agua pasa a través de un lecho adsorbente de un material poroso. Los tipos de adsorbentes más comunes para los efluentes de impresión son el carbón activado, zeolitas, arcillas y cenizas. Los tintes y otros contaminantes residuales se adhieren a la superficie del producto adsorbente por atracción molecular.

La adsorción funciona bien para efluentes de baja carga de color o como tratamiento de polishing para eliminar color residual después del pretratamiento y el tratamiento biológico. No se generan lodos y tiene bajo coste de inversión y fácil operación. La efectividad del tratamiento de adsorción se ve afectado por la temperatura, el pH y el tiempo de adsorción, y el material adsorbente debe cambiarse cada cierto tiempo, cuando alcanza su límite de saturación.

De todos los materiales adsorbentes, el carbón activado y las zeolitas han demostrado ser los más efectivos en la eliminación de color y otros contaminantes recalcitrantes o difíciles.

Filtración por membranas

Se ha demostrado que las membranas de Ultrafiltración pueden retener contaminantes de los efluentes de impresión. Cuando los tratamientos biológicos se combinan con una membrana de UF como separador de fangos, el sistema se denomina Membrane Biological Reactor MBR y combina la eficiencia del reactor aerobio con la separación por ultrafiltración.

Se emplean membranas de Ósmosis Inversa como polishing del tratamiento, para eliminar compuestos recalcitrantes y residuos de color. Debe instalarse después de otros tratamientos ya que no debe llegar a ellas materia orgánica que pueda originar biofouling, por lo que generalmente se instala a continuación de un MBR. (Descubre nuestros Reactores Biológicos de Membranas).

• Lavado y limpieza de tanques y tuberías.
• Lavado de barricas y equipos.
• Lavado de botellas.
• Procesos de prensado y fermentación.
• Vertido de desecho de productos o lías.
• Limpieza de suelos y baldeos.
• Pérdidas de vino, mosto y subproductos.
• Agua de refrigeración contaminada.

La mayoría de los contaminantes presentes en las aguas residuales de las bodegas de vino son de tipo orgánico, aunque también nos encontramos con:

• Restos minerales
• Tierras
• Grasas
• Detergentes y desinfectantes
• Contaminantes tóxicos exógenos localizados en la uva,
• Etc.

Además de los contaminantes procedentes de las operaciones de limpieza, estos efluentes se caracterizan por una elevada carga contaminante procedente de la materia seca del mosto o del vino, o bien de microorganismos. Se trata fundamentalmente de materia colorante, taninos, proteínas, ácidos orgánicos, glúcidos y microorganismos (levaduras, bacterias lácticas y acéticas, hongos, etc.). Los residuos minerales, acostumbran a estar formados por tartrato potásico que precipita en el proceso de elaboración del vino.

Las características básicas de estos vertidos se resumen en:

• Alta concentración de DBO5 y DQO biodegradable.
• pH ácido en los vertidos de bodega y básico en los de la planta de embotellado.
• Altas concentración de sólidos suspendidos totales (SST(, muchos de ellos en forma coloidal.
• Baja toxicidad.
• Grasas, aceites y tierra procedente de la vendimia, que son arrastrados por los procesos y máquinas utilizadas para la vendimia.
• Agentes de limpieza como: ácidos inorgánicos, ácidos orgánicos,  tensioactivos aniónicos, catiónicos y anfóteros, productos secuestrantes y desinfectantes como el cloro y sus compuestos, compuestos de amonio cuaternario, compuestos oxidantes como ozono, peróxido de hidrógeno, etc.
• También aparecen residuos de productos fitosanitarios que se encuentran en la uva. Estos tóxicos se transfieren al mosto y al vino, pero la mayor parte de ellos son eliminados en los distintos procesos como el prensado, trasiego y estabilización del vino.

2.2. Tratamientos biológicos

Los tratamientos biológicos utilizan la actividad metabólica microbiana para degradar la materia orgánica del agua residual. Se utilizan tratamientos biológicos de aireación donde los microrganismos se encuentran en un medio rico en oxígeno, lo que les permite llevar a cabo la mineralización de la materia orgánica. Además, gracias a la acción de enzimas microbianas especializadas que destruyen las moléculas de colorante, se logra la purificación de aguas residuales eliminando gran parte del color y la materia orgánica.

Previo a un tratamiento biológico de los efluentes de impresión debe aplicarse un pretratamiento, que se diseña en función del origen del agua residual y su composición y se basa en uno o varios de los procesos físico-químicos descritos anteriormente. El pretratamiento permitirá descomponer primeramente las moléculas más complejas aumentando la biodegradabilidad y por tanto la eficiencia del sistema biológico.

Los sistemas MBR son la configuración más adecuada para el tratamiento de contaminantes orgánicos o inorgánicos presentes en aguas residuales industriales en general. Los MBR operan con elevada eficiencia y alcanzan rendimientos de depuración consistentes. El MBR es un método de tratamiento más rentable si se consideran los requisitos de rendimiento y de volumen requerido. Además, son de operación sencilla y baja complejidad de control.

Los sistemas convencionales de lodos activados, los discontinuos secuenciales y los filtros percoladores están diseñados para operar con una tasa de eliminación volumétrica menor, lo que requiere tanques más grandes y más espacio. Estos sistemas convencionales suelen experimentar perturbaciones cuando tratan efluentes complejos como los efluentes de impresión, llegando a inhibirse la actividad de los microorganismos, por lo que no son una opción adecuada para estos efluentes.

2.3. Eliminación de nitrógeno amoniacal

El nitrógeno amoniacal deriva de los aditivos de hidróxido de amonio NH4OH empleados en algunas planas de impresión. Para su eliminación efectiva, debe aplicarse un pretratamiento de acidificación con ácido sulfúrico seguido de precipitación con óxido de magnesio MgO y ácido fosfórico H3PO4. Posteriormente, se debe ajustar el pH previamente al tratamiento biológico, aplicando hidróxido de calcio Ca(OH)2.