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NOMBRE PROGRAMA / Nombre profesor www.eoi.es
Master Profesional de Ingeniería y Gestión
medioambiental
Tratamiento físico-químico de
residuos industriales/Gestión
de Residuos
Año de realización: 2010-2011
PROFESORA
Maria Jesús Kaifer
NOMBRE PROGRAMA / Nombre profesor www.eoi.es
1. Introducción y Objetivos
2. Tratamientos mediante Precipitación
Química
3. Tratamientos mediante Oxidación Química
4. Tratamientos mediante reacciones de
Reducción Quimica
5. Separación de fases
6. Técnicas de ajuste final de la calidad:
tratamientos con membrana o tratamientos
térmicos.
7. Conclusión
8. Casos prácticos
Tratamiento Físico-químico de Residuos
Industriales/Gestión Residuos
Índice
NOMBRE PROGRAMA / Nombre profesor www.eoi.es
Tratamientos fisico-quimicos
Objeto:
Eliminar los contaminantes presentes en fase acuosa mediante la adición de
reactivos.
Contaminantes objetivo:
Metales pesados
•Cianuros
•Cromatos (cromo VI)
•Arseniatos
•Fosfatos
•Aguas con orgánicos : taladrinas, tintas, pinturas, etc
NOMBRE PROGRAMA / Nombre profesor www.eoi.es
Calidad final
La calidad del efluente y por tanto la combinación de tecnologías a emplear vendrá dada por los
requisitos de vertido.
La mayor exigencia legal actual obliga a introducir nuevas tecnologías para eliminar prácticamente en
su totalidad la presencia de contaminantes ( o reactivos).
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Tratamientos fisico-quimicos
Fundamentalmente estas técnicas de tratamiento van dirigidas a residuos
procedentes de las industrias del metal y más concretamente a la
industria del tratamiento de superficies.
La actividad de estas industrias se centra en recubrir superficies metálicas
o plásticas con distintos materiales con los siguientes fines:
Prevenir la corrosión
Prevenir el desgaste
Aumentar su dureza
Aumentar su resistencia
Modificar su comportamiento ante determinadas parámetros físicos:
conductividad eléctrica, transmisividad del calor, etc
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Tratamientos fisico-quimicos
Los procesos productivos más significativos desde el punto de vista de la
producción de residuos son:
Corte mecánico (se utilizan las taladrinas como refrigerantes)
Pulido y conformado de la pieza
Desengrasado (baños alcalinos)
Decapado (baños de ácidos concentrados)
Revestimientos
Fosfatación
Oxidación anódica o anodizado( recubrimiento con un óxido metálico)
Procesos de electrodeposición, también conocidos como galvanotecnia
(cobreado, niquelado, cadmiado, zincado, latonado, etc)
Impresión de placas de circuitos electrónicos
Pasivado crómico (utilización de Cromo VI)
Pintado (en cabinas de arrastre de agua)
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ESQUEMA BÁSICO INSTALACIÓN DE
TRATAMIENTO SUPERFICIES
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Ánodo:
Deposición del Zinc Zn2+ + 2e- Zn
Generación de Hidrógeno 2H+ + 2e- H2↑
Cátodo:
Oxidación del SO42- 2 SO42- S2O8
2- + 2e-
Descomposición del S2O82- 2 S2O82- 2 SO4
2- + 2SO3 + O2↑
Síntesis de H2SO4 SO3 + H2O H2SO4
Electrolisis del H2O 2H2O 4H+ + O2↑ + 4e-
REACCIONES INVOLUCRADAS
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Minimización
De acuerdo con los principios de la UE y la legislación, las técnicas de eliminación deben considerarse una vez que se ha procedido a estudiar y a implantar los procesos de minimización de residuos
Implantación de técnicas de fabricación que minimicen la generación de residuos
Sustitución de las sustancias empleadas por otras menos peligrosas
Empleo de técnicas de recuperación, reciclado y reutilización.
PASOS PREVIOS
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•Precipitación química.
•Oxidación química.
•Cianuros
•Compuestos orgánicos
•Reducción de Cromo hexavalente: Cr VI.
•Separación de fases, rotura de emulsiones.
•Tratamiento de orgánicos e iones: membrana y evapocondensación.
•Estabilización
•Destilación para recuperación de disolventes.
TRATAMIENTOS FÍSICO-QUÍMICOS:
REACCIONES INVOLUCRADAS
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PRECIPITACIÓN QUÍMICA
OBJETIVO
conseguir un efluente de calidad adecuada y concentrar los contaminantes (METALES
PESADOS) en una fase sólida que deberá ser gestionada correctamente.
Generalmente los metales precipitados no son recuperables.
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PRECIPITACIÓN QUÍMICA: Forma de producirla
1. Adición de sustancias que reaccionan con el compuestopara dar lugar a una forma poco soluble (precipitación desulfuros).
2. Adición de sustancias que alteran el producto de solubilidadproduciendo la insolubilización (precipitación de pH).
3. Cambio de temperatura de una solución en la dirección queprovoca una disminución del producto de solubilidad, yaque la solubilidad es una función de la temperatura.
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO-precipitación de metales como hidróxidos
(Lanouette)
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PRECIPITACIÓN DE METALES
M P++ + Ca(OH)2 M(OH)2 +Ca++
Precipitación como hidróxido utilizando cal o sosa
La precipitación debe mantenerse en un pH específico si
el metal es anfótero.
Ensayos previos (jar test) para ver el pH idóneo de la
mezcla y obtener los datos de consumo de reactivo y de
generación de lodo.
Son esperables consumos superiores a tres veces la
cantidad estequiométrica.
El pH es un factor fundamental para el mantenimiento
del equilibrio.
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PRECIPITACIÓN DE METALES
M P++ + Ca(OH)2 M(OH)2 +Ca++
Los metales más frecuentemente encontrados en los
residuos de origen industrial son:
Fe, Zn, Cu, Cd, Ni, Pb, Cr.
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Reactivos de precipitación.
CARACTERISTICAS DE LOS REACTIVOS
Ca(OH)2 NaOH CO3Na2 SNa2
Uso general Pequeños consumos Sólo si es requerido Sólo si es requerido
Precio Bajo Alto Moderado Alto
Velocidad de reacción Baja Muy Alta Moderada Moderada
Separación precipitado Muy buena Moderada (c/polielectrolito) Moderada (c/polielectrolito) Muy difícil (c/polielectrolito)
Calidad efluente Buena Buena Buena Excelente (difícil eliminación Sulfuro)
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Floculación
Consiste en la aglomeración de partículas de tamaño pequeño
para favorecer su sedimentación mediante:
•Desestabilización química de las fuerzas superficiales
repulsivas (fuerzas electrostáticas e interiónicas).
•Englobamiento físico y químico de las diferentes
partículas.
Los floculantes más utilizados son:
•Alúmina
•Cal
•Sales ferrosas y férricas
•Polielectrolitos (polímeros solubles de cadena larga)
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Sedimentación
Proceso físico por el que las partículas suspendidas en
un líquido por medio de fuerzas gravitacionales e
inerciales sedimentan.
Se requiere:
•Depósitos de suficiente tamaño para favorecer que
el líquido permanezca suficiente tiempo y pueda
sedimentar.
•Un medio mecánico para dirigir el sólido hacia la
parte inferior del depósito con el fín de facilitar la
sedimentación.
•Un medio físico para separar las partículas
separadas.
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FILTRACIÓN : DESHIDRATACIÓN DEL LODO
Los filtros prensa son los equipos más empleados para la separación de
mezclas sólido-líquido.
La mezcla se bomba a varias cámaras que tienen a ambos lados una tela
filtrante, las partículas sólidas quedan retenidas por la tela filtrante y el
líquido se filtra.
Cuando la cámara se llena de sólidos aumenta la presión (espesor de torta
de 15 a 70 mm), se para el sistema y se descarga la torta.
La sequedad del lodo se acerca al 40% y el volumen de torta de 5 a 15m3
por equipo. El lodo será gestionado en vertedero y/o previamente tratado
mediante procesos de estabilización.
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Esquema tipo de proceso de tratamiento químico
PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO
ENTRADA
EFLUENTE
AJUSTE DE pHDECANTADOR
TANQUE DE REACCIÓN
LODOS
FILTRO PRENSA
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- plantas compactas
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- Sedimentador
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO – QUÍMICO- Medidas de prevención de la contaminación
Cubetos de contención de derrames (sin conexión a la red de saneamiento)
Separación de las redes de saneamiento : industrial (incluyendo el laboratorio) y oficinas
Niveles de llenado en depósitos de almacenamiento para evitar derrames por sobrellenado
Recogida de pluviales de viales y depósitos de almacenamiento
Captación de emisiones difusas
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PRECIPITACIÓN DE METALES
Ventajas:
•Operación sencilla y con equipos estándar
•Versátil, aplicable a gran variedad de corrientes
acuosas.
•Relativamente bajo costo
•Fácilmente integrable en sistemas más costosos.
•Método no destructivo.
Inconvenientes:
•Presencia de complejos o de partículas difícilmente
sedimentables (sulfuros).
•Difícilmente selectivo.
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Capítulo 3Tratamientos de Oxidación química
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2. REACCIONES DE OXIDACIÓN
Se basan en reacciones red-ox, en medio acuoso y utilizan
reactivos de naturaleza inorgánica.
El reactivo se selecciona dependiendo de su potencial
estándar de reducción, que toma valores entre +3 y –3
voltios.
poder de oxidación cuanto más positivo sea su potencial
estándar frente al del compuesto a oxidar.
En general son más activos a pH ácido, mientras que los
reductores lo son a pH alcalino.E
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OXIDACIÓN QUÍMICA
Conceptos básicosOxidante/medio ácido Eº (V) voltios
Peróxido de hidrógeno catalizado (reactivo Fenton)
+2,80
Oxígeno atómico +2,42
Ozono +2,08
Äcido persulfónico +2,01
Peróxido de hidrógeno +1,76
Äcido permángánico +1,51
Äcido hipocloroso +1,49
Cloro +1,36
Dióxido de cloro +1,27
Oxígeno +1,23
Oxidantes químicos en medio acuoso
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OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros
A) Cloración alcalina
NaCN + Cl2 CNCl+ NaCl
CNCl +2NaOH NaCNO +ClNa +H20
2NaCNO + 4NaOH +3Cl2 6NaCl+2C02+N2+2H20
Consumo teórico de cloro en la 1ª etapa 2,7 gr/Cl2
Consumo teórico de cloro de la 2ª etapa 2,5 grCl2/CN0
Consumo total 6,8 gr Cl2/grCN
El hipoclorito también se aplica para eliminación de amoniaco mediante
la oxidación a nitrógeno. Para ello es necesario mantener un exceso de
oxidante de 6 veces y valores de pH entre 8 y 10.
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO -QUÍMICO- tratamiento de cianuros
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO -QUÍMICO- tratamiento de cianuros
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO -QUÍMICO- tratamiento de cianuros
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OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros
B) Ozonización
NaCN + O3 NaCNO + O2
2NaCNO +3O3+H2O NaOH +2CO2 +N2+302
Coste e inversión superior que en el caso anterior.
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OXIDACIÓN QUÍMICA - tratamiento de cianuros
c) Oxidación electrolítica
Es apto para concentraciones que se sitúan entre 1000 y
3000 mg/l de CN. A concentraciones inferiores reduce su
eficacia.
Se puede aplicar como pretratamiento y finalizar con el
proceso de oxidación con hipoclorito.
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OXIDACIÓN- peróxido de hidrógeno catalizado
Su poder oxidante permite el tratamiento de moléculas
orgánicas que no reaccionan frente al peróxido de hidrógeno
debido a que requieren altas energías de activación.
Catalizadores efectivos son: ión ferroso, o dióxido de titanio.
Su aplicación más característica es la eliminación de fenoles en
agua, destrucción de pesticidas, herbicidas, etc.
También permite la destrucción de los ferrocianuros, uno de los
complejos más resistentes al ataque químico.
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PLANTA DE TRATAMIENTO FISICO - QUÍMICO-tratamiento de cianuros
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Capítulo 4Tratamientos de Reducción química
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REDUCCIÓN QUÍMICA- tratamiento de cromo hexavalente
Reducción de Cr VI
Con bisulfito
4H2Cr04+ 6NaHS03+3H2 S04 Cr2(S04)3 +3Na2S04+10H20
Con sulfato ferroso
2H2Cr04 +6FeS04 +6H2S04 Cr2(S04)3 +3Na2S04 +8H20
Reacción rápida a pH ácido
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REDUCCIÓN- tratamiento de cromo hexavalente
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REDUCCIÓN- tratamiento de cromo hexavalente
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REDUCCIÓN- tratamiento de cromo hexavalente
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4. SEPARACIÓN DE FASES- rotura de emulsiones
1. Cambio de pH o utilización de desemulsionantes para
separar la suspensión coloidal de los compuestos orgánicos
en agua.
2. Separación de las partículas por gravedad o centrifugación
(a veces en caliente).
Residuos aplicables:
- Emulsiones aceite-agua (taladrinas)
- Mezcla de hidrocarburos:agua (Marpol, refinerias,
contaminación de aguas subterráneas, etc.)
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4. SEPARACIÓN DE FASES- rotura de emulsiones
aceite
agua
lodo
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4. SEPARACIÓN DE FASES- rotura de emulsiones
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Capítulo 6
Tratamientos de ajuste calidad
final
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5. TRAMIENTO DE ORGÁNICOS E IONES.
Tratamiento mediante membranas
Son tecnologías más recientes cuyas ventajas frente a los sistemas
tradicionales de tratamiento son:
-Permiten hacer frente a la creciente presión de la regulación jurídica
(límites más restrictivos de vertido).
- Reciclan el agua tratada.
Los inconvenientes más característicos son:
-Insuficiente selectividad de las membranas
-Caudales relativamente pobres por problemas de ensuciamiento de las
membranas.
-Problemas económicos (más dificil predecir los costes).
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4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
Una membrana se define como un film delgado (fino) que separa dos
fases y actúa como barrera selectiva al transporte de materia, debido a
la existencia de una diferencia de potencial químico entre las dos fases.
La membrana debe considerarse un material funcional no pasivo.
La operación de membrana se define como una operación donde la
corriente de alimentación se divide en dos: el permeado y el retenido
por la membrana. Se utilizan para purificar o concentrar una solución
o una suspensión (solvente:soluto o separación de partículas) y para
fraccionar una mezcla (separación soluto-soluto).
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4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
-La separación tiene lugar
a Tª ambiente.
-La separación implica la
no acumulación de
productos en las
membranas.
-No requiere la adición de
reactivos.
-El rechazo suele situarse
en el entorno del 30-40%.
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Operación de membranas mediante presión:
Ósmosis inversa.- Por medio de una presión el solvente de una solución se
transfiere a través de una membrana, la diferencia de potencial químico
promueve la difusión del agua a través de la membrana. P trabajo= 5 a 8
MPa
Nanofiltración.- la membrana es selectiva para la eliminación de iones
polivalentes (calcio y magnesio), más reciente,mente se emplea para
eliminar materia orgánica. P trabajo= 0,5 a 1,5 Mpa.
Ultrafiltración.- Permiten el rechazo de solutos gruesos (macromoléculas),
los de bajo peso molecular no son retenidos por la membrana. Ptrab = 50 a
500 kPa
Microfiltración.- Presentan mayor tamaño de poro que la UF.
(clarificación).
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4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
Clasificación de membranas
Separación fundamentada en grandes diferencias de
tamaño: MF, UF, y DIA. Requieren membranas porosas.
Separación fundamentada en diferencias de solubilidad
y difusividad (solución-difusión):PG, PV y OI.
Requieren membranas no porosas o densas.
Separación fundada en diferencias en las cargas de las
especies a separar: efecto electroquímico como en ED y
diálisis DONNAN. Llevan membranas de intercambio
iónico.
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4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
Aplicaciones en tratamiento de efluentes
industriales:
-Soluciones con iones disueltos difícilmente
precipitables (efluentes de otros procesos). Por
ejemplo, aguas con Cl-, Na+, K+ etc.
-Soluciones con trazas de compuestos
orgánicos (aguas con aceites, aguas con
pigmentos, aguas con disolventes, etc).
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4. SEPARACIÓN por MEMBRANA- tratamiento de orgánicos e iones.
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5. OTROS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE DE ORGÁNICOS DISUELTOS E IONES. Evapocondensación
Tecnologías alternativas a las membranas lo constituyen
los tratamientos de evaporación y condensación posterior
del agua.
Su principal limitación es que requiere la ausencia de
compuestos orgánicos volátiles ya que en este caso se
destilarían con la fase acuosa (sólo aplicable en el caso
de evapooxidación.
Consisten en la evaporación del agua presente en la
corriente a tatar de forma que los contaminantes se
quedan en el concentrado. El agua evaporado se
condensa para su reutilización.
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5. OTROS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE DE ORGÁNICOS DISUELTOS E IONES.
Se aplican al mismo tipo de corrientes que las que se han
visto para las membranas.
Los factores decisivos para la toma de decisiones serán:
-% de rechazo obtenido en las membranas
-% de concentrado
-Caudales a tratar
-Consumo energético
-Costes de operación y mantenimiento
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5. EVAPOCONDENSACIÓN.
La evaporación se puede llevar a cabo utilizando las
siguientes tecnologías.
-Evaporación al vacío mediante bomba de calor. Se
realiza vacío en la cámara de ebullición, con lo que se
consiguen Tª de destilación de 30º a 40ºC.
-Evaporación al vacío mediante fluidos de calefacción y
enfriamiento externos. Útil para caudales altos.
Evaporación por termocomprensión: trabaja a vacío y el
vapor destilado se comprime hasta P atmosférica
sobrecalentándose, siendo la fuente de energía para la
evaporación y el precalentamiento del líquido a tratar.
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5. EVAPOCONDENSACIÓN.
Bomba de calor: se basa en un ciclo cerrado de comprensión y expansión
de freón. El freón se calienta y evapora al líquido, al expandirse se enfría
y condensa el líquido.
Características:
Consumo de
electricidad mayor
Caudal de
evaporación entre
15 y 700 l/h
Inversión
ligeramente inferior
Más versátil
1.- Compresor
2.- Ebullición
3.- Refrigerador
4.- Condensación
5.- Inyector
6.- Bomba
7.- Depósito destilado
8.- Bomba de concentrado
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Interrelación de los distintos procesos de tratamiento físico-químico
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Interrelación de los distintos procesos de tratamiento físico-químico
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Agua apta para uso en riego de
jardines etc.
Agua para reciclaje en
procesos
Con el agua de evapo-condensación destilan trazas
de orgánicos volátiles y amoniaco que se eliminan
por tratamiento biológico del tipo SBR.
Ajuste final
líquidos inmiscibles o desemulsionablesque se
separan por decantación, centrifugación, etc.
aceites, hidrocarburos, disolventes, etc
contaminantes inorgánicos que se destruyen por
reducción (cromatos) o metales pesados que se
insolubilizan como hidróxidos.
metales pesados, cromatos, etc.
el agua se separa por evaporación y posterior
condensación, quedando estos compuestos como un
concentrado de la evaporación..
orgánicos no volátiles, sales inorgánicas