Respuesta rápida: Las aguas residuales de metales pesados se tratan convirtiendo los metales disueltos en sólidos insolubles —normalmente hidróxidos elevando el pH con cal o sosa cáustica, a veces sulfuros cuando el límite es muy bajo— y luego sedimentando y deshidratando el lodo. El lodo es la parte costosa: el lodo de hidróxidos contiene entre un 96 y un 99 % de agua cuando sale del clarificador, y es un filtro prensa lo que lo convierte en una torta que se puede transportar como residuo peligroso.
¿Qué se considera aguas residuales de metales pesados?
Aguas de enjuague de galvanoplastia y acabado de metales, grabado de placas de circuitos impresos, líneas de decapado, fabricación y reciclaje de baterías, agua de minas y relaves, efluentes de curtiduría (cromo) y algunas corrientes textiles y de pigmentos. Los metales que los reguladores enumeran realmente son un conjunto reducido. Las normas estadounidenses de acabado de metales en 40 CFR Parte 433 regulan cadmio, cromo, cobre, plomo, níquel, plata, zinc y cianuro, más el total de orgánicos tóxicos, aceite y grasa, SST y pH.
Los límites son estrictos. Según la Parte 433, el máximo diario para el cromo total es de 2,77 mg/L y el promedio mensual de 1,71 mg/L; cobre 3,38 / 2,07; níquel 3,98 / 2,38; zinc 2,61 / 1,48; plomo 0,69 / 0,43; cadmio 0,69 / 0,26; plata 0,43 / 0,24; cianuro 1,20 / 0,65. Las nuevas fuentes enfrentan un límite de cadmio de 0,11 / 0,07 mg/L. El agua de enjuague de una línea de galvanoplastia puede contener decenas a cientos de mg/L de metal, por lo que la eliminación tiene que ser superior al 99 % en muchos casos.
Paso 1: pretratar las corrientes que rompen la precipitación
Antes que nada, hay que gestionar dos corrientes, y mezclarlas en el flujo principal es la razón más común por la que una planta de tratamiento incumple su permiso.
- Cromo hexavalente no precipita como hidróxido. Primero debe reducirse a cromo trivalente, típicamente con metabisulfito de sodio a pH bajo, y solo entonces puede precipitarse como Cr(OH)₃ junto con los otros metales.
- Cianuro De los baños de cianuro para galvanoplastia se destruye por separado mediante cloración alcalina antes de que la corriente se una al tratamiento de metales. La regulación es explícita: el monitoreo de cianuro se realiza después del tratamiento de cianuro y antes de la dilución con otras corrientes.
- Agentes quelantes (EDTA, citrato, amoníaco procedente de níquel químico o zinc alcalino) mantienen los metales en solución e impiden la precipitación de hidróxidos. Las corrientes que los contienen se segregan y se tratan por separado o se dosifican con un precipitante más fuerte.
Paso 2: precipitación — hidróxido, sulfuro o ambos
Precipitación de hidróxido
Eleve el pH con cal hidratada, sosa cáustica o hidróxido de magnesio y los metales precipitan como hidróxidos. Por debajo de pH 6 precipita muy poco; el pH óptimo depende de qué metal y qué contraión estén presentes, y cada metal alcanza su solubilidad mínima a un pH diferente, por lo que una corriente mixta normalmente se sedimenta a un pH de compromiso y luego, si un solo metal aún supera el límite, se pule a un segundo pH.
El manual de precipitación del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. (EM 1110-1-4012) establece que la precipitación de hidróxidos puede reducir el cromo, el níquel, el cadmio, el cobre y el zinc por debajo de 1,0 mg/L, pero señala que el plomo, el manganeso y la plata pueden no tratarse adecuadamente de esta manera. La cal es la más barata pero produce la mayor cantidad de lodos: la hoja informativa sobre precipitación química de la EPA advierte que la cal puede aumentar el volumen de lodos residuales hasta en un 50 por ciento en comparación con la sosa cáustica.
Precipitación de sulfuro
Los sulfuros metálicos son mucho menos solubles que los hidróxidos. El mismo manual del USACE tabula las solubilidades teóricas en agua pura: hidróxido de cobre 2,2×10⁻² mg/L frente a sulfuro de cobre 5,8×10⁻¹⁸ mg/L; zinc 1,1 frente a 2,3×10⁻⁷; plomo 2,1 frente a 3,8×10⁻⁹; cadmio 2,3×10⁻⁵ frente a 6,7×10⁻¹⁰. Las reacciones con sulfuro se producen cerca del pH neutro (7–9), y se informa que el lodo de sulfuro es aproximadamente tres veces menos propenso a la lixiviación a pH 5 que el lodo de hidróxido.
El precio es el manejo. El sulfuro de sodio y el gas sulfhídrico son peligrosos, el sulfuro en exceso debe eliminarse del efluente, y el precipitado es fino y lento para sedimentar. El compromiso habitual es la precipitación con hidróxido como paso principal con una pequeña etapa de pulido con sulfuro solo para el metal que de otro modo no cumpliría su límite — típicamente plomo, cadmio o plata.
Coagulación y sedimentación
Los flóculos de hidróxido recién formados son pequeños. Se dosifica cloruro férrico o un polímero para aglomerarlos en flóculos sedimentables, y el agua pasa a un clarificador, sedimentador lamelar o unidad DAF. El flujo inferior del clarificador es el lodo: típicamente 1–4 % de sólidos y, en palabras del manual del USACE, de 96 a 99 por ciento de agua.
Paso 3: lodo — el factor que impulsa el costo
Los lodos de hidróxido metálico suelen ser un residuo peligroso catalogado (en EE. UU., F006 para lodos de galvanoplastia), por lo que se eliminan por peso a tarifas de residuos peligrosos. Cada tonelada de agua transportada junto con los sólidos es dinero perdido. Por lo tanto, la deshidratación no es una consideración secundaria; decide el costo operativo de toda la planta.
El manual del USACE proporciona resultados medidos de filtros prensa de placas y marcos para lodos de hidróxido según el precipitante:
| Precipitante | Sólidos de pastel | Tiempo de filtración | Densidad del lodo | Volumen de lodos por tonelada de sólidos secos |
|---|---|---|---|---|
| Sosa cáustica (NaOH) | 30% | 7–8 h | 1.300 kg/m³ | 5.0 m³ |
| Cal hidratada (Ca(OH)₂) | 35% | 7–9 h | 1.400 kg/m³ | 4,2 m³ |
| Hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂) | 55% | 1,5–2,0 h | 1.600–1.750 kg/m³ | 2,2 m³ |
Dos cosas destacan. Primero, el precipitante que se elige aguas arriba cambia el resultado del filtro prensa más que la propia prensa: el lodo de hidróxido de magnesio se filtra cuatro veces más rápido y produce menos de la mitad del volumen, a un costo de reactivo aproximadamente tres veces mayor que la cal. Segundo, incluso el lodo cáustico alcanza un 30 % de sólidos en un filtro prensa, algo que una prensa de banda o una centrífuga rara vez logran con un flóculo de hidróxido gelatinoso.
Dimensionamiento del filtro prensa para lodos de hidróxido metálico
Partir de sólidos secos por día, no del caudal. Una línea de galvanoplastia que produce 100 kg de hidróxido metálico seco por día con un 35 % de sólidos en la torta genera aproximadamente 285 kg de torta, o alrededor de 0,2 m³ a 1.400 kg/m³. Eso es uno o dos ciclos por día en un pequeño filtro prensa de cámara. Puntos que importan particularmente para este lodo:
- El tiempo de ciclo es largo. Los tiempos de filtración de 7 a 9 horas en la tabla son reales; el flóculo de hidróxido es compresible y obstruye la tela. Dimensione para un ciclo por turno en lugar de varios.
- La compresión de la membrana ayuda. A filtro prensa de membrana puede acortar el ciclo y elevar unos puntos el contenido de sólidos de la torta, lo que se amortiza rápidamente cuando la eliminación se cobra por tonelada de residuo peligroso.
- Elección de tela. El polipropileno monofilamento con una superficie calandrada libera la torta de hidróxido de manera limpia y resiste las partículas finas que obstruyen la tela multifilamento. Ver dimensionamiento de la prensa de filtro para aguas residuales de galvanoplastia para la selección de tela y placa.
- Materiales. Las placas y telas de polipropileno manejan la fluctuación de pH desde el pretratamiento ácido hasta la precipitación alcalina sin corrosión; la bomba de alimentación debe ser una bomba de diafragma accionada por aire o una bomba de tornillo en construcción resistente a la corrosión.
- El filtrado vuelve. El filtrado de la prensa de filtros arrastra finos y metal disuelto al pH de precipitación; devuélvalo a la entrada del clarificador, nunca directamente a la descarga.
Qué enviar para una propuesta de tratamiento y deshidratación
Una consulta útil contiene: el proceso (tipo de galvanoplastia, grabado, batería, agua de mina), el caudal diario, el análisis de la corriente cruda (cada metal, cianuro, pH, quelantes si los hay), los límites de descarga que debe cumplir y cómo se eliminará el lodo. A partir de eso podemos dimensionar la etapa de precipitación, estimar los sólidos secos por día y seleccionar la prensa, la tela y la bomba. Si ya tiene lodo, envíe una muestra: una prueba de filtración nos indica el tiempo de ciclo y los sólidos de la torta antes de cotizar cualquier cosa.
Relacionado: cuánto lodo produce una planta de aguas residuales, eliminación de nitrógeno amoniacal, y Equipos para el tratamiento de aguas residuales industriales.
Preguntas frecuentes
¿Qué pH se utiliza para precipitar metales pesados?
La precipitación de hidróxidos se realiza en el rango alcalino, generalmente entre pH 8 y 11 dependiendo de la mezcla de metales; por debajo de pH 6 casi nada precipita. Cada metal tiene su propio pH de mínima solubilidad, por lo que las corrientes mixtas se sedimentan a un pH de compromiso y un metal resistente se pule a un segundo pH o con sulfuro.
¿Por qué se trata por separado el cromo hexavalente?
Debido a que el Cr(VI) permanece en solución a cualquier pH. Primero debe reducirse a Cr(III), generalmente con metabisulfito de sodio en condiciones ácidas, y solo entonces precipitará como hidróxido de cromo junto con los demás metales.
¿Es mejor la precipitación de sulfuro que la de hidróxido?
Alcanza un residuo metálico mucho menor, por muchos órdenes de magnitud en cuanto a la solubilidad teórica, y el lodo lixivia menos. Cuesta más, los reactivos son peligrosos y el precipitado sedimenta lentamente, por lo que normalmente se utiliza como paso de pulido para plomo, cadmio o plata en lugar de para toda la corriente.
¿Qué tan seco puede quedar el lodo de hidróxido metálico en un filtro prensa?
Los resultados medidos de filtro prensa de placas y marcos son de aproximadamente 30 % de sólidos para lodos cáusticos, 35 % para lodos de cal y 55 % para lodos de hidróxido de magnesio. Una etapa de compresión con membrana añade algunos puntos más.
¿Es el lodo de hidróxido metálico un residuo peligroso?
En la mayoría de las jurisdicciones, sí. En EE. UU., los lodos del tratamiento de aguas residuales provenientes del galvanoplastia se clasifican como residuo peligroso F006 y se eliminan por peso, por lo que la deshidratación hasta el mayor contenido de sólidos práctico en la torta es tan importante.
¿Puedo descargar directamente el filtrado de la prensa de filtro?
No. El filtrado del lodo de hidróxido arrastra finos y algo de metal disuelto al pH de precipitación. Devuélvalo a la entrada del clarificador para que pase de nuevo por sedimentación y corrección final de pH.
Envíe su análisis de agua cruda, los límites de caudal y descarga y dimensionaremos juntos la etapa de precipitación y la prensa de filtro: solicitar una propuesta de tratamiento de heavy metal.
Referencias: 40 CFR Parte 433 — Categoría de Fuentes Puntuales de Acabado de Metales (eCFR), Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos — EM 1110-1-4012, Precipitación/Coagulación/Floculación (2001), US EPA — Hoja informativa sobre tecnología de aguas residuales: Precipitación química (832-F-00-018).
Este artículo es parte de nuestra guía sobre wastewater sludge dewatering.